船舶气囊下水运动受力计算与校核
在气囊下水过程中，如何计算气囊受力变化情况，保证气囊下水的安全性一直是一个亟待解决的课题。分 析了船舶气囊下水过程，研究了在移船过程中气囊布置数量、间距、所受压力以及承载力的变化，并以某型船为 例，进行了气囊受力计算，校核了气囊压力，论证了下水的安全性。关键词：船舶；气囊下水；受力分析：承载力计算
Abstract: It remains an urgent task to find a way to calculate the force changes of the airbags during the launchingprocess so as to ensure the safety of the ship.This paper analyzes the process of ship launching by airbags and studies theinfluence of airbag quantity and spacing on pressure variation and bearing capacity variation;and takes a certain type of ship as an example to calculate the force and check the pressure of the airbags so as to prove the safety of the launchingprocessKeywords: ship;launching by airbags;force calculation;bearing capacity calculation
船舶下水是船舶建造过程中一个重要的环节， 传统的下水方式主要是纵向重力式下水，即船舶在 本身重力的作用下沿船台倾斜滑道滑入水中。但是 传统的船台成本造价较高，尤其船台需要配备专用 的下水装置，使其成本进一步增加。于是，气囊下 水这一创新型的船舶下水方式应运而生，而且一套 设备可以供多个船台使用，大大节省了投资，缩短 了建造周期。我国气囊下水技术研究始于上世纪八十年代，初期主要应用于中、小型船舶的下水作业，随着下 水气囊的承载能力逐渐提高，下水船舶自重已超过 万吨。《船舶用气囊下水工艺操作规范》标准业已 发布，常用的船体受力计算方法有宽支座弹性计算 方法2、基于有限元技术的全船结构分析方法问等 等。对于气囊下水安全性的研究也多基于船舶静力 学原理14.]。而对于下水过程中的气囊受力安全性分 析研究仅停留在静态分析上，很少论及气囊的动态 压力变化。
本文对船舶在气囊下水移船过程中气囊动态 受力作了分析与计算，并验证了气囊承载安全性。1 船舶气囊下水过程受力分析与以往滑道下水采用支墩、支架和滑道承载船 舶的方式不同，气囊下水是在船底布置一定数量气 囊以承载船体，并依靠船舶自重下滑下水或者利用 卷扬机牵引控制下水的一种工艺，如图1所示。 图1气囊下水当船舶采用气囊纵向重力式下水时，通常先用 气囊将船舶支撑起预定高度，然后撤墩木，在下滑 力作用下移至潮位线，等待达到预定潮位后，船舶 随即起动，此时船舶受到浮力、重力、摩擦力、气 囊承载力的作用，船体姿态一直处于变化之中，并 无明显的船艉起浮点，因此自船舶开始起动下滑至 船艏脱离最后一只气囊为止划为一个阶段，气囊纵向重力式下水分为三个阶段：第一阶段，自船舶起墩至船艉抵达预定潮位线 附近。船体平行于船台滑道，在卷扬机的牵引下依 靠自身重力匀速下滑。在卷扬机的牵引下，缓缓移 动船舶至预定潮位线。在此过程中，需要在船舶前 进路线上，不断铺设气囊，直到预定位置。第二阶段，自船舶启动入水至船艏脱离最后一只气囊支撑。船体不再平行于船台运动。这个阶段， 船舶开始受到浮力作用，并且还分别受到船舶自 重、所受浮力以及气囊承载力对于船舶重心的力矩。第三阶段，自船舶全浮至船舶停止运动为止。 这一阶段，船舶全浮以后，在惯性作用下继续向前 运动，故应采取适当措施制动船只。在整个气囊下水过程中，船舶主要的受力为： 船舶自身重力、船体所受气囊的承载力、水对船体 的浮力以及水对船体的黏性阻力等等。船舶重力是 船舶下水各部分重量的合力，沿下滑方向的分力为 下滑力，垂直于下滑方向的为对气囊的正压力；浮 力是船体各部分所受静水力的合力，在不同的下水 阶段，由船舶前后吃水根据邦戎曲线可查到此时船 体排水体积，进而得到船舶所受浮力大小。另外船 舶重量沿船长方向分布，因此，在不同的时刻，每 个气囊所提供的承载力也各不相同，处于动态变化 当中。各个气囊提供的承载力取决于气囊受压后的 高度和工作压力。本文主要针对移船过程进行分析，考虑船舶自 重、气囊承载力以及气囊承载力对于船舶重心的力 矩。2 气囊下水计算船舶采用气囊下水前，下水设备应布置妥当。 滑道坡度尽量适应船体龙骨线线型， 一般取为 1/12~1/244,具体视船型而定。大船的滑道坡度一 般较小，以免船艏离地过高，影响施工；另外，假 如滑道坡度过大，当船舶部分入水以后容易发生艉 跌现象。对于气囊数量和布置位置的选择，要求总承载 力不小于下水船舶自重的1.2 倍，每只气囊承载力 对船舶重心力矩之和不大于设计水线长与船舶自 重乘积的3%2.1 气囊在滚动过程中的受力分析由于气囊制作的微小差异以及所处位置地面的不平整等原因，不可能保证每个气囊所受压力都 相等，只能是基本相同。另外船体重量沿船长纵向 分布，因此，下水过程中在不同部位布设的气囊压 力是不断变化的。计算校核气囊所受压力是否处于 额定安全工作压力以内，对于验证气囊下水的安全 性至关重要。假定在理想情况，简化气囊模型。1)假定气囊是圆柱式平衡弹性体，囊体为均质 材料，受力时，囊壁不发生拉伸变形，径向周长不 变；2)假定每个气囊沿同一条中和轴滚动；3)假定气囊滚动过程中各个气囊滚动速度一致，无扭转、打滑现象发生。2.2滚动气囊的布置数量、间距
2.2.1 气囊数量布置计算船舶移动时，气囊数量可按下式1计算：(1)式中：N——滚动气囊的数量，只； K₁——系数， K₁=1.2~1.3;Q— 船舶下水重量，t;g—— 重力加速度，m/s²;C,——船舶方形系数；R——每米 气囊允许的承载力，kN/m;La—— 在船舶肿剖面处气囊与船舶接触的长度， m。2.2.2 气囊间距校核当气囊数量选定以后，如何布置气囊，设定气 囊间距，以保证船舶结构强度，防止在船舶移动过 程中，气囊挤压冲撞。校核气囊间距公式 (2)(3)式中：L——下水船舶底部适合填放气囊的长度， m;N—— 滚动气囊数量，只； D——滚动气囊囊 体公称直径， m。2.3 气囊承载力与力矩根据船舶长度以及船舶自重沿船长的分布情 况，并结合气囊工作压力以及在船底布置位置与 工作长度、高度，计算出气囊工作压力、承载力 以及与船舶重心的力矩，编制出船舶气囊下水计 算表。(4)力矩：式中： B——气囊的工作高度，m;p—- 气囊的工作压力，MPa; X₄—— 气囊距船体重心的距离， m.表 13实 例为了便于进一步了解船舶气囊下水时气囊的动 态压力变化情况，验证气囊下水的安全性。现以某 型船为例进行说明。此船下水时的主要数据见表1。船舶参数
船长船宽型深吃水方形系数下水重量滑道坡度龙骨坡度
L/mB/mH/mT/mCQ/taP
147.020.412.48.20.68843351/221/22
常用的船体近似算法有梯形法、辛氏法和乞氏法 3种。现用梯形法，利用 Matlab 软件间，由船体型 值点，计算出此船重量沿船长纵向分布情况，见图2。 船长/m图 2船舶自重沿船长分布3.1 气囊选定由于该船肿剖面处船底最大宽度为L₄=20m,气囊囊头伸出舷侧不宜过长，略大于气囊直径即可，另外在保证舵、螺旋桨等突出体不着地的前提 下， 一般工作高度不宜小于0.3m。据此，用了“昌 林牌”CL-4型直径D=1.2m, 长度22m的高承载 力气囊。气囊安全工作压力的上限为 P=0.11MPa, 每米气囊允许的承载力为R=150kN/m, 确定气囊工作压力为0.10MPa。3.2气囊数量以及布置间距由公式(1),选定系数k;=1.2, 则 N≈24.57, 气囊数量为24只，另选用2~4只为备用气囊。此 船适合布置气囊的长度为L=73.5m,由公式(2)、 (3)确定最小气囊间距为3m。
3.3气囊下水受力计算3.3.1气囊承载力计算在船舶下水移船过程中，由各工作位置的气囊 工作长度、高度以及压力，结合公式(4)、(5),得到表2,气囊距船体重心距离X。 以向船艏为负， 向船艉为正。
表2 气囊下水计算
工作位置n工作长度(半宽) L/m工作高度H(m工作压力p/MPa承载力F/kN距重心X₂/m力矩M/kN·m
28.28.40.540.540.100.101700.21741.7-3027-51007-47026
39.40.520.102008.124-48195
49.60.510.102081.02143701
59,80.450.102309.1-18-41563
6100.450.102356.2-15-35343
7100.450.102356.2-1228274
8100.400.102513.3-922619
9100.400.102513.3-6-15080
10100.400.102513.3-3-7540
11100.400.102513.300
12100.400.102513.37540
13100.400.102513.3615080
表2(续)
工作位置7工作长度(半宽) L/m工作高度H/m工作压力p/MPa承载力F/kN距重心X₂/m力矩M/kN·m
14100.400.102513.3922619
159.80.420.102401.41228817
169.60.420.102352.41535286
179,40.420.102303.41841461
189,10.450.102144.12145027
199,00.450.102120.62450894
208.80.500.101935.22752251
218.60.500.101891.23056737
228.40.550.101715.33356605
237.20.560.101447.63652115
24合计7.00.580.101363.5518203953175177260
3.3.2 气囊压力变化移船过程中，气囊所受压力时时变化。对于适 宜布置气囊的船长尺度内，船舶自重分布如图3。
船长/m图3 船舶自重分布 船长/m图4 气囊所受压力变化由公式： (6)知： (7)利用 Matlab软件?计算，得到气囊所受压力变化如图4。最高压力为0.1962MPa, 超出了气囊额 定安全工作压力的上限0.11MPa, 但是由于其受力 时间较短，满足许可要求。4 结 语由气囊下水计算表，得出气囊总的承载力为 F=51820kN, 船舶自重为 Qa=42483kN,F/Q₈ >1.2;同时每只气囊承载力对船舶重心力矩之和为 177260kNm, 小于船舶设计水线长与船舶自重乘 积的3%,为187350.03kN-m。计算结果表明，提 出的下水力学模型满足要求，气囊额定安全压力满 足工作要求。这对船舶气囊安全下水具有较强的指 导意义。【参考 文献】 山东省地方标准 DB37/T 998-2008.船舶用气囊下水 工艺操作规范. 陈邦杆，司太生.船舶纵向气囊下水宽支座弹性计算方 法初探.广东造船，2008,(3):47-48. 任慧龙，李陈峰，陈占阳.船舶气囊下水安全性评估方 法研究.中国造船，2009,(4):53-60. 盛振邦，船舶静力学.北京：国防工业出版社，1979. 张凯敏，吴剑国，冯华.船舶气囊下水安全性的影响 因素研究. 造船技术，2009,(1):36-38. 董 森.MATLAB使用详解：基础、开发及工程应用. 北京：电子工业出版社，2009.
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