氣囊下水的安全性研究

永泰長榮

船舶氣囊下水可能造成船底和船艏板架 受損，針對這一問題，采用船舶靜水力學原理，編制了 程序，進行了多種船臺形式對下水過程中船體結(jié)構(gòu)應 力分析。該方法將船體視為剛體，主要考慮船體所受 的重力、浮力和氣囊的支反力，在船體下滑的一系列位 置計算船舶姿態(tài)，同時計算船底板應力，判斷船體的安

全性。

關鍵詞  氣囊下水 船臺 改造

1  引 言

氣囊下水是一項我國獨創(chuàng)的新型下水技術，過  程簡單，無需固定滑道，與傳統(tǒng)滑道下水相比，船臺  制造比較簡單，建造周期短，并且沒有油脂的污染， 下水以后氣囊可以收回重復使用。氣囊下水是一種 新的技術，盡管已有2萬噸級的船舶利用氣囊下水  的成功案例，但因缺乏研究和行業(yè)管理，該技術沒有  明確工藝和規(guī)程，主要是靠經(jīng)驗操作，事故時有發(fā)  生。隨著氣囊承載力的提高，采用氣囊下水的船舶  噸位愈來愈大，風險愈來愈高。氣囊下水船臺形式  如圖1所示。這種船臺形式簡單、制造方便，但是也  有缺點。在實際使用時，氣囊下水的常見事故主要  有：停滑、氣囊爆裂、觸地、側(cè)碰、嚴重尾落、船底受  損、側(cè)向漂移后碰撞、船艏板架受損等等。造成這些  事故的原因有很多，比如氣囊自身的剛度，下水初始  時刻氣囊的布置等等，船臺改造主要能解決船底受  損(圖3)和船艏板架受損的問題(圖4)。

圖1 氣囊下水

研究提出船臺改造方案，結(jié)合自編下水模擬計算程序，通過下水程序計算加以驗證，為船舶下水安 全提供一定的計算依據(jù)。

2  船臺改造原理的研究

2.1 船臺改造后的形式選擇

為了解決船底和船艏板架受損的問題，本研究  提出幾種船臺的改造形式，具體如圖2～4所示。經(jīng)  比較選定折線型船臺為船臺改造方案。從理論上來  說，拋物線型的船臺比折線型的船臺在氣囊下水時  有好的力學性能，因為拋物線只要有適合的凸度，且  與上面的直線有恰當?shù)倪B接，會使船在下水時，氣囊  提供更大的支持力。氣囊的支持力主要與初始壓力  和高度有關，比較凸的拋物線能使得氣囊高度減小  得比較慢，所以從理論上來說，這種形式最適合。但  是，考慮到氣囊下水主要是因為船臺施工方便，所以  采用了折線型的船臺加以計算，這種船臺施工簡單， 施工的精度要求不會有拋物線型的要求這么高，而  且經(jīng)過實際的計算比對，發(fā)現(xiàn)只要使得下水時刻水  位有一定的高度，完全可以彌補折線與拋物線之間  的差距，所以采用折線型的船臺。折線型船臺也可  以有一折或者兩折的形式，這里采用了一折的形式， 因為一折的船臺有更大的通用性。能更好地為實際  情況提供計算依據(jù)，所以采用了單折的折線型船臺

(見圖4)。

圖 2 多折線船臺

圖 3 拋物線船臺

2.2 下水計算程序編制原理

本研究的下水計算程序主要是應用VC++   編 寫的程序，程序理論主要是船舶下水傳統(tǒng)的靜水力

圖4  單折線船臺

學下水計算。該方法將船體視為剛體，主要考慮船 體所受的重力、浮力和氣囊的支反力，在船體下滑的 一系列位置計算船舶姿態(tài)，同時計算船底板應力，判 斷船體的安全性。編制下水計算程序時，首先是分 別編制了浮力，氣囊支持力等的函數(shù)，建立力學平衡 方程，最后求解方程，從而可以計算不同肋位下水時 船舶的姿態(tài)。根據(jù)姿態(tài)求解氣囊的應力，對船體的 支持力，以及船舶每個肋位的應力，考慮最危險的截 面的應力。在不考慮船臺改造因素下的計算，使該 程序的計算結(jié)果與實際下水情況比較接近。

3 船臺改造的數(shù)值模擬計算

3.1  船臺改造計算原理

氣囊下水計算的一個比較關鍵的問題是確定下 水各時刻氣囊的位置以及船舶的姿態(tài)。在船舶下水  以后，船舶阻止了氣囊繼續(xù)前進，此時氣囊被船舶壓  在水里，氣囊的浮力大于重力，但是由于船舶已經(jīng)入  水，此時氣囊只能貼著船底板，使得氣囊在船臺末端  前一段距離相對靜止排列，如圖1所示。造成船底  受損和船艏板架受損主要原因是此時船舶翻轉(zhuǎn)的傾  角比較大，下面氣囊提供的支持力不夠，船舶只能往  下翻轉(zhuǎn)，取得更大的浮力，來獲取新的力和力矩的平  衡，所以船臺改造的主要方向是增加船舶在翻轉(zhuǎn)時  刻的支持力。氣囊下水時，在重心過了船臺末端以  后，此時的慣性矩會突然增大，傾角較大，那些相對  靜止的氣囊會被壓到折線船臺的前面一段，提供一  定的支持力，使得力和力矩得到新的平衡，從而降低  了船底受損的可能性。根據(jù)這種船臺改造的思路， 在原有的船舶氣囊下水程序上做了一些改動，增加  了船舶下水以后部分氣囊的支持力。

3.2  船臺改造計算考慮因素

研究考慮的主要因素有，下水時刻水船臺位的 高低、船臺的坡度、初始時刻氣囊的布置。