船舶气囊下水静力学计算与结构分析
船舶是一种运动的大型钢结构，船舶下水是将船舶从建造船台上移至水域的过程。气囊下水是一项我国独创的新型下水技术，主要依靠着实践经验的积累，几乎未进行理论和实验的研究，主要是靠经验操作，因而事故频发。研究气囊下水运动过程中的力学问题，以及下 水过程中船体的结构强度，对船舶气囊下水的安全性作出准确的评估，有重要社会意义和经济价值。
本文编制了气囊下水的静力学计算程序，结合实船进行了相关的计算，并且对船体做了结构分析。主要工作包括：(1)对船舶气囊下水过程进行了静力学分析。(2)使用 VC++编制了静力学计算程序，通过对五条实测船舶的计算和对比，验证程序的准确性。(3)在前面静力学程序计算基础上，根据计算出的载荷对其中两条船舶的结构进行有限元计算。(4)分析了船舶气囊下水的影响因素，提出了船台改造的方案。结果计算和结构分析表明，船舶在满足一定的条件下，可以采用 气囊安全下水；适当的改造船台，可以改善气囊下水的安全性。本文的计算结果可为今后更加合理地进行气囊下水方案布置提供依据工作的核心思想。
关键词：气囊下水，有限元法， VC++,船台改造，静力学分析Ship Launching on Air-bag is a new launch technique of original creation of ourcountry,which has a simple process and with no fixed slide tracks.The advantage of Ship Launching on Air-bag lies in many aspects,such as investment saving,highefficiencyandflexible,andcontributesalottothedevelopmentofsmallandmedium-sizedshipenterprises.ShipLaunchingonAir-bagisanewlyappliedtechnique and with no clear standard,so that it mainly relies on practice operationsand leads to frequent accidents.Doing researches on mechanics and ship structureintensity of the whole motion procedure,making accurate evaluations of its safety areof great significance and economic value.This paper drew up statics calculating programs of Ship Launching on Air-bagand did both related calculations and structure analysis of using actual ship examples. The main works of the paper is included in the parts below:1.Statics analysis of Ship Launching on Air-bag process is made.2.Statics calculating programs is drew up by using VC++,and verifying the accuracy by comparing 5 actual measured ships.3.Finite element of 2 ships is calculated among them according to results of loading on the basis of static calculation.4.The influencing factors of Ship Launching on Air-bag is analyze and proposals of slipway transformation are raised.The resultsof thecalculationandstructureanalysisshowsthatoncertainconditions ship can adopt airbag to make safe Launching,and the safety of ShipLaunchingon Air-bagcan beimproved byappropriatetransformation.Theconclusion of this paper may offer working basis and trains of thought of much more reasonable Ship Launching on Air-bag proposals.
船舶是一种运动的大型钢结构。船舶下水是在船舶建造工程大部分完工之 后，将船从建造船台上移至水域的工艺建造过程，因此，船舶下水是船舶建造过 程中最为重要的工序之一。船舶下水具有危险性，如稍有疏忽，会造成重大的损 失。长期以来，人们对船舶的下水作业十分重视，为此做了大量的研究工作，并 创造了多种船舶下水的方法。如：滑道式下水、轨道式下水、坞内下水等等"。
气囊下水是指以起重气囊和滚动气囊为主要工具，将船舶承托在气囊上，从 修、造场地移入水域的下水方法。利用气囊的低充气压力、大承载面积以及大变 形后仍容易滚动的特点，先用起重气囊将船舶从墩木上抬起，搁置于滚动气囊上， 然后通过钢缆牵引和气囊的滚动，使船舶缓慢的滑入水中。目前，我国中小型船舶生产企业普遍采用气囊下水方式，虽然它具有经济便利等优点，但是与传统的滑道式下水、轨道式下水、坞内下水等下水方式相比， 气囊下水方式还存在缺乏理论支撑，实际操作中不规范等问题。根据现有船舶建造实践经验，在建造船长小于180m的钢质普通船舶时，采用气囊式下水方式基本上还是可行的4。因此，标准(《船舶生产企业生产条件基本要求及评价方法》 简称《船企评价标准》)中规定二级 I 类以下的船舶生产企业允许使用气囊式下水方式，同时提出对采用气囊下水的设施设备以及下水方案，需要进行计算的要求。然而，国内外尚无这方面的计算方法和计算工具，有待研究和开发。
1 . 2论文研究的背景、意义随着世界船舶市场日趋兴旺和船舶工业中心向中国的转移，浙江的船舶工 业迎来了前所未有的发展机遇。目前，在浙江省4300 公里海岸线上，已经集聚 了300多家船舶制造厂，修造船能力跃升到全国第四，船舶工业已经成为浙江海 洋经济和先进制造业的重要组成部分，成为浙江省经济发展新的增长点。气囊下水是一项我国独创的新型下水技术，具有过程简单，无需固定滑道， 不损伤船底油漆，投资省、效率高、机动灵活等优点，对中小船舶企业发展起到了极大的推动作用。该技术从20世纪80年代初开始推广，国内已有近千家船厂采用气囊下水。浙江省大多数船厂规模偏小，没有建造下水船台，普遍采用气囊下水。同时，气囊下水技术正由我国逐渐走向世界，据报道，马来西亚C.E.LingEnterprise Sdn.Bhd. 公司在米里新建的一家造船厂引进我国的气囊下水工艺， 废弃了传统的滑道下水模式。新加坡、印度尼西亚、日本等客商也来华考察此项新工艺，并将根据各自的特点选购气囊。美国军方在小型舰艇维修时，也采用我国的气囊产品。预计在未来几年，气囊下水新工艺将在东南亚地区得到新一轮推广。船舶下水是一种比较复杂的运动过程，处置不当，容易发生事故。常见的事 故有船舶尾落、首跌落、船底局部结构受损、船侧撞坏等。由于气囊下水是一种 新的技术，主要依靠着实践经验的积累，几乎未进行理论和实验的研究，尽管已 有2万吨级的船舶利用气囊下水的成功案例，但因缺乏研究和行业管理，该技术 没有明确工艺和规程，主要是靠经验操作，故而事故频发。随着气囊承载力的提 高，采用气囊下水的船舶愈来愈大，风险愈来愈高。发达国家的船东常常不相信气囊下水的技术，认为该方法对船舶结构有损伤，不许采用，因此，也影响了中 小船厂出口船舶的制造。鉴于此，国防科工委在制订即将实行的《船舶生产企业基本条件评价要求》 时，对气囊下水的上限拟作出明确的规定，对于一类船厂不得使用气囊下水，二类船厂可以采用气囊下水，但船长不得超过180米。这一限制不仅对于刚刚起步的浙江民营造船业来说是一次巨大的打击，对于整个浙江船舶工业也是一次重创。对于船长小于180m 的船舶，《船舶生产企业基本条件评价要求》规定二类企业虽然允许采用气囊下水，但要求船舶生产企业采用该办法的同时需要进行论证或计算，以保证船舶的安全。省主管部门按照国家的要求，进行低质量船舶的治理整顿，急需气囊下水安全评估的方法和程序，企业急需气囊下水工艺规程和船台改造的依据，基于上述背景，考虑到浙江船舶工业的实际情况，本文将致力于气囊下水的 安全性研究。本文的研究意义在于：1)通过系统的理论和实验研究，揭示气囊下水的力学机理，提高气囊下水 的科学性，确保船舶气囊下水安全，最大程度地避免船舶气囊下水的事故。2)为国家制订《船舶生产企业生产条件基本要求》有关气囊下水的上限提 供依据，为管理部门的决策提供参考。3)提出适宜气囊下水的船台方案，降低浙江民营船舶企业的投资成本。
1.3 国内外研究现状和发展趋势上世纪90年代以来，国内不少单位对船舶下水的安全性进行了研究。哈尔滨工程大学、武汉理工大学、上海交通大学、中国船舶研究中心均对许多船舶滑道下水做过实船和模型试验，提出了模型试验的相似准则和船舶下水的水动力学计算方法，可较准确的预报船舶下水的运动规律。沪东造船厂杜忠仁、上海交大的顾永宁提出了弹性船体梁的计算方法，初步解决了船体和滑道的接触范围和支反力的问题。但是，这些研究都是针对传统的滑道下水。对于气囊下水，当船舶在重力或钢索牵引力的作用下向下或向上移动时，气囊与地面的接触表面并不产生相对位移，只是整个气囊产生“剪切变形”。由于气囊的囊壁既柔软又富有弹性，这种复杂的过程用“柔性蠕动”来形容是非常恰当的。此时船舶移动的阻力主要取决于囊壁抗扭变的能力、使用气囊的尺寸和数量。而与地面的状况(土质、 不平度)关系不大。这一特点导致气囊下水产生许多新的问题，有待研究。1998 年济南昌林气囊容器厂与中船总公司综合技术经济研究院总结了多年 的实践经验，共同起草提出了适用于3千吨以下船舶用气囊上排、下水的工艺操作规程《船舶用气囊上排下水工艺要求》 (CB/T3837-1998), 从1999年6月1 日起开始实施。这2个规程对指导船舶气囊下水过程、保证气囊下水的安全性起 了很大的作用，但是该规程仅适用于3千吨以下船舶，不能解决目前1万吨以上的船舶的下水问题。2001 年李明忠等对500 吨沿海集装箱船气囊下水的摩擦力进行了分析计 算，2004 年江跃飞等介绍了气囊下水工艺及其操作程序和注意事项。这些研究 只局限在对气囊下水规程所规定的操作一些验算，没有对整个气囊下水在运动过 程中的力学问题进行系统地研究、分析，无法对气囊下水的安全性作出准确的评 估，不能适应船舶建造质量控制高标准的要求。也没有对气囊下水的上限作出较 为明确的预测。有关气囊下水工艺对船舶结构的影响和伴随造船工艺方面的变 化，还没见报道。由于世界造船中心从工业化国家逐步向后起工业化国家转移，发达国家造船越来越少，他们主要是用船坞造十万吨以上的大船，已不再造几万吨的船舶，即使造这样的船舶，也是用传统的滑道下水，不用由我国新近发明的气囊下水技术， 所以国外关于船舶气囊下水的研究未见报道。查新结果表明，国内除了浙江工业大学已开展此项研究之外，尚未见有关研 究的报道。本文为浙江省重大科技项目“船舶气囊下水技术研究与应用”资助。
1.4本文的主要内容本文全面考虑了船舶气囊下水安全性的各种影响因素，采用静水力学方法进 行下水计算。该方法将船体视为刚体，仅考虑船体所受的重力、浮力和滑道的支反力，在船体下滑的一系列位置进行计算。尽管这种方法在力学模型上作了简化， 但却能反映了船舶下水的基本过程。本文一方面通过对船舶气囊下水过程的理论 分析，对下水过程的安全性作出准确地评估；另一方面优化气囊下水工艺，提出船舶气囊下水的船台改造方案。主要研究的内容包括：1)船舶气囊下水过程的静水力分析：编制实用的船舶气囊下水静水力计算 程序，进行船舶气囊下水4个阶段的力学分析，揭示气囊下水的规律。2)船体结构强度分析：构造关键舱段有限元模型，根据计算出的气囊反力 的大小和作用范围、重力和浮力等外部载荷，用结构有限元法计算船底局部结构 的应力：3)通过对5次船舶气囊下水的实测结果的对比，验证计算程序的准确性。 4)提出适宜气囊下水的船台改造方案，进行船台改造后的计算。最后，通过对实测和计算结果的比较、分析和总结，得出气囊下水一些结论， 并对后续工作进行了展望。
1.5 创新点本文的创新点主要有：1)编制实用的船舶气囊下水静水力计算程序，进行船舶气囊下水4个阶段 的力学分析，揭示气囊下水的规律。2)构造关键舱段有限元模型，用结构有限元法计算船体结构的应力。3)较全面地考虑气囊下水时各种参数的影响，提出适宜气囊下水的船台改 造方案。
第2章船舶气囊下水过程的静水力分析
2 . 1气囊下水阶段分析本文介绍的是以刚性船体对船舶姿态的分析方法0,这种方法根据下水过程 中作用力的变化以及可能发生的危险情况，把船舶纵向下水分为四阶段分析研 究：第一阶段，自船开始下滑到船尾接触水面为止。如图2.1.1,通过调整气囊 的初始压力，船舶自行下滑，船舶受气囊反力和重力作用，在这一阶段气囊反力 和重力构成平衡。
图2.1.1下水第一阶段第二阶段，船体尾部接触水面到船尾开始上浮为止。如图2.1.2 所示，船 受到重力，气囊反力和浮力的作用。随着船体入水长度的增长，浮力逐渐增长， 同时气囊跟随船舶运动，各个气囊反力不断变化，不过总的支持力在逐渐减少， 气囊反力与浮力一起跟重力平衡。在船舶重心离开船台末端的瞬间，船舶浮力小于船舶重量，因此就会出现船尾猛然跌落现象，叫做尾落。
图2.1.2 下水第二阶段
第三阶段，船尾上浮的整个阶段。如图2.1.3 所示，船受到重力、浮力和气 囊反力。这一阶段后期有可能出现两种情况：1) 船首经过船台末端之前，船舶已经完全浮起，顺利地漂在水中。2) 在船首离开船台末端的瞬间，船舶浮力仍小于下水中重量，因此就会出现船 首猛然跌落现象，叫做首落。
图2.1.3 下水第三阶段第四阶段，从船位上浮结束到船舶停止运动为止。如图2.1.4所示，船受到 重力、浮力，摇摆惯性力和刹车装置制动力的作用。
图2.1.4 下水第四阶段需要注意的是，此四个阶段都有必须注意的安全问题，第一阶段应避免因下 滑力不够而不能起滑或中途停滑；第二阶段应避免尾落现象发生，以及过大的气 囊反力引起对船体结构破坏或气囊炸裂；第三阶段应注意是否有首落；第四阶段 应计算全浮后船的冲程和稳性等0。本文后面提出的船台改造就是针对第二、第三阶段出现的问题，主要讨论了 如何避尾落、首落的现象发生，以及发生以后怎样改造使得船体结构受到的损害最小。
2.2静力学下水平衡方程2.2.1下水过程受力分析如图2.2.1所示，船体在下水过程中的受力主要是：船体的重力，水对船体的 浮力，下水气囊对船体的支持力，水对船体的粘性阻力和因附加质量变化而产生 的轴向质量力。船体的重力G,G是下水船舶各部分重量的合力，沿船台方向的分力 即为下滑力。浮力F是船体入水部分所受水静压力的合力；在下水过程不同的时 刻，由船舶的前后吃水再通过邦戎曲线得到船舶排开水的体积，从而得到浮力F。 气囊支持力N指在船台上的气囊对船舶提供的支持力，在不同的时刻每个气囊所 提供的支持力大小各不相同，各个气囊提供的支持力取决与气囊受压后的高度和 刚度而得到。本文所做的静力学计算忽略了水对船体的粘性阻力和因附加质量变 化而产生的垂向质量力。 图2.2.1气囊下水过程船体受力分析
2.2.2下水过程静力学方程的建立本文的静力学计算只考虑船体自重、浮力以及受到的气囊反力，计算时以 肋位为单位累积计算。如图2.2.2所示，建立直角坐标系，原点0在船台端点处，x 轴为水平面，船台相对与水平面的倾角为a, 船舶基线相对与船台的倾角为β。在船体的基线方向的法线方向上建立平衡方程，将重力、浮力以及气囊的支持力 投影到该方向，则可以得出方程(2-1);(2-1)其中m; 是每个肋位的重量， F; 是每个肋位的浮力， N, 是每个肋位气囊的 支持力。
在船舶基线方向，浮力、重力和支持力对船台端点取矩，得到以下的方程：Zmgcos(a+β)x-ZFcos(a+β)x₁-ENx₁=0 (2-2)其中x;是每个肋位到船台端点的距离；
图2.2.2气囊下水过程受力分析的坐标系
2.3气囊支持力的计算
2.3.1气囊计算的假定1)气囊是两端为锥体的长圆柱体，万吨级以上船舶下水主要采用L=15-20 米的气囊，锥体部分占比例很小(体积比为5%左右),因而，讨论时暂不考虑圆 锥部分，将气囊简化为圆柱型；2)气囊是一个密封的空气系统，气体是理想气体；3)气囊橡胶囊体无重量：骨架层帘线不可拉伸，即囊体横剖面母线长度和 气囊的长度均是常数；气囊囊体横剖面的非受压部分在变形过程中仍保持圆形不 变；气囊圆柱部分全长承载、均匀受平面压缩变形。
2.3.2气囊支持力的公式气囊支持力是指气囊在下水过程中压缩至不同高度时产生的对船舶的实际支持力N 。在船舶下水气囊滚动受压加载的过程中气囊内气体质量不变，囊体 的外形发生变化，气囊的有效承压面积S 、囊内气体的体积与囊内气体表压力P 都发生相应的改变，达到新的平衡。当气囊在垂向变形△h 时，气囊的载荷变为：N(Ah)=P(Ah)S(Ah) (2-3) 根据气体状态方程，对于气囊内固定质量的气体，气囊在垂向变形△h 时，
(P(△h)+PV"=(P+P₄)V₀(2-4)
其中：P(△h),V分别为气囊变形后气体的表压力和体积；R,%分别为压力和体积的初始状态值，P 为大气压力，n为理想气体幂指数，其值取决于气囊变形 的速度：V₀、V、S值由式(2-5)、(2-6)与(2-7)确定，
(2-5) (2-6)(2-7)
S =BL(2-8)
其中：L为气囊长度；H为气囊工作高度；内压P 是气囊实际工作压力，其值应 小于等于许用工作压力P,对一定直径D的气囊，P 值取决于充气初始压力P;和 工作高度H,其计算式如下： (2-9)当气囊的变形速率较小，气体体积变化较慢时，囊内气体可以与外界进行充 分的热交换，囊内气体的温度与外界保持一致。因此，囊内气体的变化过程可视 为等温过程，n取等温系数，n=1。当气囊的变形速率很大，囊内气体体积变化 剧烈时，囊内气体来不及与外界进行热交换，因此气体变化过程可视为绝热过程， n=1.4。气囊变形速率越大，越接近绝热过程。因此，计算气囊的静载荷和静刚 度时n 取1,计算气囊的动载荷、动刚度时n 取多变指数，在1.0-1.4之间取值。 计算下水过程气囊刚度时，n是一个变量，根据测试的几艘船舶下水过程气囊压力变化曲线分析，气囊压力的最大变化率约为0.08MPa/s,在下水过程中气囊承 载显著增加，气囊高度进一步压缩，直至压力达到顶峰，高度再降到最低，历时约10s, 考虑下水气囊体积是分阶段变化的，估计n 值在1.1-1.3。
气囊支撑力F, 单位为t
(2-10)
2.4下水过程浮力的计算
图2.4.1浮力计算如图2.7,浮力的计算主要依靠邦戎曲线(3-16),邦戎曲线主要用来计算船舶 在纵倾及波浪情况下的排水体积和浮心位置，它包含两组曲线，(1)横剖面面积曲线每条曲线代表各站在不同吃水时横剖面面积的联线。(2)横剖面面积对基线面的静力矩曲线每条曲线代表各站在不同吃水时横剖面面积对基线面静力矩的联线。在实际计算时采用表格的形式。根据已知的邦戎曲线，以及吃水高度h在船 舶基线的法线方向上的分量高度，可以求出每个肋位的浮力。根据邦戎曲线可以 得到船舶每一站在一定水线下的排水体积，本程序中初始输入20站不同水线高度的排水体积，在计算每个肋位的浮力时，用了该肋位附近几站的数值做插值计算， 计算每个肋位在特定高度水线下的排水体积后再乘以肋位宽度就能求出浮力。船底板的强度计算：受气囊反力作用的船底板，可视为四周刚性固定的刚性 板来计算，且由于气囊尺寸与船底板格尺寸相当，计算时相当于四边刚性固定的 板受均匀面荷载作用。根据板弯曲理论，四边刚性固定的板受均匀面荷载作用时 候，支座横向应力、支座纵向应力、中点横向应力、中点纵向应力之中，支座横 向应力最大，本程序为了计算方便使用了近似公式，在第六章中会将近似计算结 果和有限元程序计算的结果进行对比，支座横向应力近似公式如下： (2-11)支座纵向应力近似公式： (2-12)中点横向应力近似公式： (2-13)中点纵向应力近似公式： (2-14)其中，P 为气囊作用在相应肋位的换算荷载，单位为kN;1 为相应肋位的换算长 度；s;为纵骨间距：s₂ 为肋板间距；t为船底板厚
第5章气囊下水影响因素及船台改造
5.1 船台改造概述气囊下水船台制造比较简单，建造周期短，下水以后气囊可以收回重复使用， 经济集约。由于是一种新的技术，主要是靠经验操作，故而事故频发。随着气囊承载力的提高，采用气囊下水的船舶愈来愈大，风险愈来愈高。气囊下水自推广以来，船台主要的形式如图5.1.1所示。
图5.1.1 传统气囊下水船台这种船台形式简单、制造方便，但是也有缺点。在实际使用时，气囊下水 的常见事故主要有：停滑、气囊爆裂、触地、侧碰、严重尾落、船底受损、侧向 漂移后碰撞、船首板架受损等等。造成这些事故的原因有很多，比如气囊自身的 刚度，下水初始时刻气囊的布置等等，本文的船台改造能主要解决的问题是船底 受损(图5.1.2)和船首板架受损(图5.1.3)。
图5.1.2船底受损
图5.2.3 改造后的二折折线型船台提出这些改造的形式主要的想法是在船底或船首板跌落发生时，下面有气 囊支持，使得破坏不发生。从理论上来说，抛物线型的船台比折线型的船台在气 囊下水时有好的力学性能，因为抛物线只要有适合的凸度，且与上面的直线有恰 当的连接，会使得船台在下去的时候，气囊提供更大的支持力。气囊的支持力主 要和初始压力跟高度有关，比较凸的抛物线能使得气囊高度减小的比较慢，所以 从理论上来说，这种形式最适合。
5.3 船台改造的数值模拟计算
5.3.1 船台改造计算原理气囊下水计算的一个比较关键的问题是确定下水每个时刻气囊的位置以及 船舶的姿态。在船舶下水以后，船舶阻止了气囊的继续前进，而且此时气囊被船 舶压在水里，气囊此时的浮力是大于重力，但是由于船舶已经入水，此时气囊只 能贴着船底板，使得气囊在船台末端前一段距离相对静止排列。具体情形如图 5.3.1所示。造成船底受损和船首板架受损主要原因是此时船舶翻转的倾角比较 大，下面气囊提供的支持力不够，船舶只能往下翻转，取得更大的浮力，来获取 新的力和力矩的平衡，所以船台改造的主要方向是增加船舶在翻转时刻的支持 力。气囊下水时，在重心过了船台末端以后，此时的惯性矩会突然增大，此时倾 角比较大，那些相对静止气囊会被压到折线船台的前面一段，提供一定的支持力， 使得力和力矩得到新的平衡，从而降低了船底受损的可能性。根据这种船台改造 的想法，在原有的船舶气囊下水程序上做了一些改动，增加了船舶下水以后部分 气囊的支持力。
5.3.2船台改造计算考虑因素本文做计算时候考虑的主要因素有：a)下水时刻水船台位的高低；b)船台的坡度；c)初始时刻气囊的布置；
5.3.3船台改造实例计算本章计算的实例景山五号的参数同第四章第三节。在所有的计算之前，首先是决定改造后船台的形式，选择的类型有三种，选择的目标是如何使气囊反力在合理的范围内最大。气囊反力主要决定因素有高度和初始压力，初始压力一开始就确定，气囊的高度确随着气囊与船舶的共同运动而不停的改变。原气囊高度由船台延长线与船底板线决定如图5.3.1所示(忽略船底板的弯曲)改造船台以后，船台增加段的气囊计算高度为原来的计算高度加上额外的一段，如图5.3.2、 5.3.3、5.3.4 所示不考虑其他因素的改变，仅计算图5.9、5.10 两种。其中折线型船台坡度比例取1比6,延伸段长1.5m; 抛物线型船台取直径为3m 的四分之一圆弧，且连接处与原船台相切，仅计算低水位情况，选择水位高度0.1m,
计算结果如图5.3.5所示。 图5.3.1 气囊工作高度的确定 图5.3.3二折船台的气囊工作高度 图5.3.2 抛物线型船台的气囊工作高度 图5.3.4三折船台的气囊工作高度肋 位 号图5.3.5 抛物线、折线型船台计算对比通过上述结果可以看出，抛物线型船台比折线型更好，能使船舶下水时倾角 更小，翻转较小，同时船底板应力更小；但是，考虑到实际情况，选择折线型船 台继续计算。主要理由如下：a)气囊下水主要是由于船台施工方便、简单，折线型船台施工的精度要求 不会有抛物线型的要求这么高，易于推广；b) 通过实际的计算比对，低水位情况下，船底板应力差最大不超过5%;c) 要使得下水时刻水位有一定的高度，完全可以弥补折线与抛物线之间的 差距，换言之， 一定水位后，折线型、抛物线型完全相同；所以下面的计算采用折线型的船台。折线型船台也可以有一折或者两折的形 式，这里采用了二折的形式的折线型船台。确定改造后船台形式后，计算考虑的主要因素有：气囊布置、船台坡度与水位高度等；其中气囊布置主要考虑气囊的初始压力、初始位置。船舶建造完成以后，下水动力主要依靠初始时刻气囊压力的改变，部分气囊抬高，部分气囊下降， 使得船舶在纵向产生了一个重力的分力，促使船舶向前慢慢运动。 一般来说，在下水初始时刻，气囊压力分布呈阶梯状，前面的三、四个气囊压力低于平均压力， 最后几个气囊的压力高于平均压力，在他们之间的气囊压力基本相当。本程序中的气囊调整系数主要是反映了中间气囊的初始压力，即初始时刻，中间的气囊压力的平均压力。气囊间距，主要反映气囊的位置，本程序有两种定位气囊的方式， 一种是直接输入气囊的间距，气囊位置会自动生成，另也可以大致按照肋位号， 准确输入气囊位置。在做研究的试算时，为了简化起见，主要使用了前者，即只输入间距，自动生成气囊位置。通过固定气囊初压，改变气囊间距，以及固定间距，改变初压；大致估算出气囊间距在2m 到2.5m时，气囊调整系数在0.8到1file:///C:/Users/NO1/AppData/Local/Temp/ksohtml29740/wps36.png之间，船底板应力(本文中所说的船底板应力是指在整个下水过程中最危险时刻 船底板最大应力)维持在钢材屈服强度以下，计算结果如图5.3.6。 气囊调整系数图5.3.6气囊布置对气囊下水的影响具体数据如下表5-1:表5-1气囊布置对气囊下水的影响
气囊间距(m气囊调整系数22.533.5
最大船底板应力(Mpa)最大船底板应力(Mpa最大船底板应力(Mpa)最大船底板应力(Mpa)
0.6233274298346
0.8242264311345
1252262314314
1.2265274337334
根据上述数据，考虑到气囊实际直径1.5m, 实际排列在2m在下水时候会产 生气囊互相碰撞、压挤的可能性，取气囊间距2.5m, 气囊调整系数1继续计算。 确定气囊的布置以后，下水取决因素主要是船台坡度与水位高度。固定船台坡度 中的一折，水位高度分别取-0.2m 、0 、0.2m; 计算结果如表5-2;
表5-2船台坡度改变对气囊下水的影响
水位(m)坡度-0.200.2
气囊压力 (MPa)发生肋位气囊压力 (MPa)发生肋位气囊压力 (MPa)发生肋位
1/500.2623960.23741020.223393
1/250.2437990.2171020.2108100
1/200.2437990.21441000.2108100
1/150.24521010.2171020.2108100
两折船台0.2906960.26161020.2532105
取其中1/25一折固定，改变第三折坡度，水位高度分别取-0.2m 、0 、0.2m 继续计算；计算结果如表5-3:表5-3船台坡度改变对气囊下水的影响
水位 (m)坡度-0.200.2
气囊压力 (MPa)发生肋位气囊压力(MPa)发生肋位气囊压力 (MPa)发生肋位
1/80.2437990.2171020.2108101
1/100.2425990.2161020.2108101
1/150.2417990.2161020.2108101
从以上的计算结果可以看出，选择了适当的第二折船台以后，第三折在一定 范围内的变化对实际气囊压力减小的效果不明显。综上所述，水位在较高水位时，不论船台如何布置，总能比较顺利的下水， 所以一般来说，为了使船舶能安全顺利下水，要求水位尽量高；但是，在实际条 件不允许、实际水位比较低时，在使用改造后的三折船台时，第二折坡度取1/25 左右是比较合适的，第三折建议坡度大于1/10。
5.4 结束语在实际计算中，通过计算得到的最大应力会超过钢材的屈服极限，但是，如 果实际情况确实只能在这个水位下水时，下水并非不可能，因为通过计算，超过 屈服极限这一段比较短，只要根据当时能满足的水位条件，计算整条船下水过程 的船底板应力，选择其中最危险的区域，然后把相应的船底部结构加强，在纵骨 之间分别增加一道纵骨，即整个底部增加四道纵骨。根据板的弯曲理论可知，受 均布荷载的四边刚结的固定板，其弯曲应力与板宽成正比，因此增加纵骨后可使板宽减少一半，应力降低为原来的四分之一。本例中相当于从肋位80到100之间的船底板加密，对于船的总体造价影响不大，就可以使得船底板应力在屈服极限内：但是通过上述的局部改造还有两个要考虑的问题： 一个就是增加了纵骨以后重量发生变化，因为船底板局部应力突然变大的根源就是重力，特别是这一段的重力，所以虽然增加的重力很小，但是还要重新计算这一段的船底板应力：另外一个前提就是气囊的承载力足够，从目前来看，就算船底板应力能满足条件， 气囊的承载力是远远不够，所以就没有继续计算下去提出船底部改造的方案，因为气囊的极限承载力不是本文要讨论的范围，故本文中只提到气囊承载力的计算，并不讨论气囊的极限承载力；上面提出负水位强行下水时，可以通过减小板格尺寸降低船底板应力，但是并不能降低气囊的反力，换句话说，实际情况要保证气囊不发生安全事故。当然随着科技的进步，气囊的承载力也必然会突飞猛进的发展，所以，以后就算是负水位，在一定的范围内只要通过计算，在船底板一定的部位加固以后，就能安全下水。
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