船舶气囊下水过程结构应力变化的测试与分析
为研究船舶重力式气囊下水过程对船体结构应力的影响，采用动态应变仪对某21.500t 散货 船在下水过程中的船底及上甲板应力变化分别进行了测试，测试点布置在船中附近，设置同步信号进行 采集；同时，用倾角仪对下水过程中船体纵向角度的变化进行了记录；测试结果表明：该船舶在气囊下 水过程中，发生了艉落现象，船体局部出现应力较大区域.采取局部结构加强、延伸船台长度、改变船台 坡度及船台改造成半潜等措施可以提高大吨位船舶气囊下水的安全性.关键词：船舶；气囊；船舶下水，应力测试；应力分析
Abstract: In order to studfy the efiect on the ship structure during the ship launching by using gashag,the testhas been carried out to invesfigate the stress change of upper deck and bilge near the midship of 21500 t bulk cargo ship using dymamic strain gauge.The test resulls were collected by seiting in-phase signal and the change of longtndinal obliquity was memorized by goniometer at the same time.The test results indicate that sterns declime accident happened dhuring the lanmching hy using gashag,the higher stresses were occwrred in the partarea of the ship.Measurements such as strengthening the part struchres,exfending the length of slipway under water changing the grade of stlipway altering the slipway inio the semi-submerged slipway should betaken to enhance thesecawrity duringthe high tommage shaplaunching by asing gasbag.Keyworls: ship;gasbag;ship launching;sress test;stress anahsis
0引 言近年来，船舶气囊下水工艺技术凭借其投资少、见效快等优点在民营造船企业被迅速推广，目前它主 要是依靠实践经验的积累，随着下水船舶吨位的增加， 发生结构受损的几率也在增大；尽管2万吨左右的船 舶多次成功地利用气囊下水，但缺乏理论的依据和试验的数据证明其安全性；为了减少风险，优化气囊下 水工艺，改善船舶结构性能，探讨船舶气囊下水过程中船体结构不利应力的形成机理及演化规律，从而提 出有效的预防措施十分必要.船舶气囊下水工艺技术是20世纪八十年代开始应用并逐渐推广的1-,目前大多船厂对气囊下水的计算仍沿用常规静水计算的方法，将船体处理为刚性体， 以重力与浮力对首支点的力矩作为判断船体起浮的依据.随着船舶吨位和长度的增加，艉机型船在舰浮前易产生“艉下垂”现象，造成船底结构由于少数气囊支撑而局部受损.由于静水计算方法引入过多的简化， 加上气囊的变形等因素，使得实际下水时船舶的运动状态与计算值之间存在较大误差，不能较准确地预测上述现象，因此需要通过测试手段修正理论计算，从而提出更科学的计算方法，以适应现代船舶建造质量和对安全控制高标准的要求.
file:///C:/Users/NO1/AppData/Local/Temp/ksohtml5896/wps1.jpg本文利用测试手段对某21,500t 散货船在利用气 囊下水过程中的船底结构应力及其产生的原因进行了 分析，并提出了有利于改善结构性能的工艺措施.1船台参数船厂靠河，下水船舶总长167.5m, 水线长161.2m, 垂线间长158.0m, 型宽23.0m,型深12.8m,自重约 610t.其船台主要参数及下水潮位如图1所示.
船台料度08100图1 船台参数2 测试部分2.1测试系统组成整个测试系统具体组成如图2所示.
图2 测试系统组成1 ) 桥 盒 YE29003. 由于传输线路较长，在 10m-30m 之间，配接专用电桥盒 YE29003 以提高测 量精度.采用1/4桥测量，配置补偿片，桥盒内电阻为 1202精密电阻.2)多路模拟量转换卡PCLD788. 由16路输入和1 路输出构成，最大切换时间6μs.通道的切换由多数字量输出PCLD734 控制.3)动态应变仪YE3817. 它是一种数显式直流拱桥 高性能多通道信号放大器，可测量毫伏级交、直流电 压.测量时，拱桥电压 DC6V,放大倍数2K, 衰减频 率1kHz, 标定1000μs 时显示电压6V.正式开始之前 按平衡按钮，让所有通道平衡，观察各通道显示值， 如果显示值偏大，检查线路连接及应变片粘贴是否牢 固.当船舶下水时，切断该船舶与外部的电源连接，此 时采用UPS 供电，须再做一次平衡，4)模拟信号调理板 PCLD8115.在该板上直接制 作低通滤波器或分压电路.5)高精度模/数采集卡PCL816. 该卡具有16路分 辨率，采样速率可达100K/S. 同时该板卡也具备16路 数字量输入输出.2.2测点布置船底应力的测试点位于105#肋位外底板内侧，甲 板处应力的测试点位于105#肋位上甲板处，应变片顺 船长方向布置.具体布置如图3所示.箱形中桁材侧板 (a) 船底应力测试点 (b) 甲板应力测试点图3 船底及甲板应力测试点
3结果与讨论设置同步信号，以船舶下水的实际时间统一所有 测试的结果.3.1 甲板应力测试结果由图4可以看出，在下水时刻1126:07以前，上 甲板测点应力值恒定为约5MPa,船舶置于气囊上呈微 中垂状态；在下水时刻为11:26:08~11:26:33 阶段，测 点处应力由压缩转变为拉伸并迅速增大到约53MPa, 此时船舶处于中拱状态，且向水域移动了约72m; 在
file:///C:/Users/NO1/AppData/Local/Temp/ksohtml5896/wps14.pngfile:///C:/Users/NO1/AppData/Local/Temp/ksohtml5896/wps15.pngfile:///C:/Users/NO1/AppData/Local/Temp/ksohtml5896/wps16.pngfile:///C:/Users/NO1/AppData/Local/Temp/ksohtml5896/wps17.jpg下水时刻11:26:33~11:26:47阶段，船舶由中拱迅速转 化为中垂状态，此时，由于浮力大多集中在船艉，浮 力矩较大，使测点处的最大压缩应力达到约40MPa:下水11:26:47~11:27:00阶段，船舶逐渐起浮，由于船 艉浮力向船艏分散使船舶中垂状态减弱；至11:27:00 后船舶全浮，船舶在自重和浮力的作用下处于中垂状 态，测点应力值约为15MPa. 图4105#肋位上甲板应力随下水时间的变化3.2船底应力测试结果 图5105#肋位上船底应力随下水时间的变化由图5船底应力测试结果可以看出：1)在11:26.08以前，船体搁置在上加速向水域移动，在重力的作用下自由变形，测点处以拉伸应力为主，应力的大小随气囊滚过该测点的位置有规律绕一水平轴变化，船底支撑气囊数目未变，气囊尚未入水； 在船舶下水时间11:26:08~11:26:33,部分气囊滚入水中，船底支撑气囊数量的随船体的下滑而减少，105# 肋位的船底应力由拉伸应力转变为压缩应力并呈现出有规律地增大，到11:26:33时仅有少数气囊支撑，此时应力达到最大值约为400MPa; 在下水时间11:26:35左右，测点处附近在较短的时间内由压缩应力转变为拉伸应力，表明测点处已无气囊支撑，105#肋位横截面已移出船台，船体仅受自身重量，浮力及首部少数气囊支撑而平衡；在下水时间为11:26:35~11:27:00阶段，起初由于船艉入水后浮力较为集中，船体梁在艉 部集中的浮力、自重及艏部气囊反力的作用下平衡，测点处拉伸应力较大约为250MPa,随后，约在下水时刻为11:26:35时，船体起浮，船底艉部集中的浮力逐 渐沿船长方向分散，测点处拉伸应力也减少；在 11:27:00 后船舶完全入水，船体处于自由中垂状态；船底总纵弯曲应力约为100MPa.2)从船底测点处应力变化可知，其最大值已超过 许用应力，必须采取加强措施，或对下水方案进行进 一步改进.3.3纵向倾角测试为了进一步研究船舶在下水过程中的纵向角度变 化，以便对船舶是否发生艉落作出判断，采用倾角仪 对纵向角度进行测量，倾角仪安装于第三货舱约80# 肋位内底板纵中剖面处，从图6可以看出：滑行开始 阶段，下水船舶纵向角度变化不大，约为0.3°,约为 气囊初始高度及船台倾角；当下水时间约为11:26:33 时(船舶已滑行约72m), 船舶纵向角度由0.3°突然增 加到2.8°;在11:26:47~11:27:00阶段，浮力矩的增加 使船舶纵向倾角变回到1.2°,随后在11:27:00时刻后， 在船长方向上船体自身重量、浮力及波浪等因素的作用下纵摇并自由平衡，纵倾角约为1°. 4 结论通过对该船105#肋位上甲板和船底应力的测试分 析及下水船舶纵向角度的测量，可以得到如下结论：1)该船在下水过程中发生舰落现象，而之前预测 的“艉下垂”现象并不明显；发生艉落时，局部结构 可能因船台末端少数气囊的支撑发生了永久性变形；2)在船舶气囊下水过程中，船舶结构应力的变化 主要取决于船舶下水重量、重心的纵向位置、潮位的 高低、船台及气囊下水的工艺等因素.当下水潮位一定 时，下水船舶的重心纵向位置过前会造成艉浮时艏部 气囊反力值过大，而纵向位置过后又会造成滑行过程 中船台末端反力值过大，甚至出现弯折.另一方面，当 其他因素一定时，船台的坡度和水下延伸长度也会影 响气囊下水过程中船体的应力变化，延长船台在水中 的长度，增加艉浮前支撑船体的气囊总数，使船底集 中应力分散，有利于改善船体结构性能；至于这些因 数的改变对船体结构性能的改善程度有待进一步计算 论证：file:///C:/Users/NO1/AppData/Local/Temp/ksohtml5896/wps22.pngB&W公司的船舶中速机产品最具有代表性，其产品 分为L16/24、L21/31、L2738三大系列，总的功率覆 盖范围为450kW~2,970kW,主要用于三大主力船型一 油轮、集装箱船以及散货船的电站辅机，基本满足了 三大主力船型的市场需求，市场销售情况良好.5)转让及扩散生产国外，许多大企业柴油机以许可证贸易方式转让生产，世界三大柴油机企业产量近80%是由许可证买方生产.近年来，MAN B&W公司通过向日本、韩国、中国的柴油机生产厂转让生产许可证，其产品得到了 迅速发展.目前，我国远洋船用中速机70%直接进口国 外原装机，其余30%几乎是采用国外许可证技术制造 的产品，技术依赖于国外，没有知识产权.2003年至2006 年我国部分船用柴油机企业产量见表1所示.目 前，镇江中船设备有限公司年生产能力为200台~300 台：陕西柴油机厂年生产能力为150台-200台；新中 动力机厂年生产能力为80台~100台：安庆船用柴油 机厂年生产能力为100 台~150台.
表12003年-2006年部分船用柴油机企业产量
2003年2004年2005年2006年2006年比2005年增长%
台数功率×10°kW台数功率×10kW台数功率×10kW台数功率×10*kW台数功率
沪东重机5455.76370.47084.279108.11328
大连船柴1516.23235.93944.14151.4516
宜昌船柴108.91511.61814.42215.6228
陕柴重工30.55814.913135.414542.81021
镇江中船设备1039.51721623722.826026.91018
安庆船柴262.1766.71109.911910.485
4 结束语实践证明， 一个国家要在世界造船市场占有一席 之地，强大的国内配套是必需的基础.据悉2005年我 国柴油机年产量为1,274,056台，同比减少2.94%;年 销量为1.272,536台，同比减少2.51%由于我国船用 柴油机产业发展滞后，船用柴油机生产跟不上造船业 的快速发展，国产柴油机装船比例持续下降，柴油机 国产化率仅为51%2007年上半年我国柴油机产量占 世界的17%,而船用柴油机装船量仅占世界的5.4% 可见未来我国船用柴油机具有很大的发展空间和市场 前景.为实现世界造船大国目标，我国船用大功率柴油机产业应抓住船舶动力装置需求稳步增长的大好机遇。= 1 = 1 =+ - --- - *-- - - = : =(上接第18页)3)综上所述，由于气囊的工作高度，使下水潮位 相对降低，因此利用气囊下水时，船舶发生艉落现象 的几率较大；高吨位船舶下水时，需采取局部结构加 强、延伸船台、改变坡度及船台改造成半潜等措施予 以改善.参考文献：涂少波.船舶气囊下水工艺实践及发展前景.中国造 船，1997,138(3)88-92黄立身.船舶气囊上下水应用现状与应改进的问题[].加强引进技术产品的消化、吸收和改进提高：加大技 术创新的力度，自主开发形成一批具有自主知识产权 的船用柴油机产品，真正做到国轮国造和自主配套， 总之我国船用大功率柴油机产业发展将面临新的机遇 和挑战.
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