气囊下水船台的形状优化
Abstract: The aspects ofthe shape ofthe airbag launching slipway are anahzed in thispaper,and manyforms are discusedBoth ofthe methocs ofhyurostatics and hydroasmamizs are used to cal cuate theairbog launching tostudytheefectonthesaferyoftheairbaglaunchingcaasedbymanyfoctorssuchastheformsoftheslipweys,thelocationofairhags,theslopeoftheslipweysandsealevel,etcIntheecampleofnso 20.000 DWTbulkcargo.theappropriateformsofthe shapesoftheairbaglaunching slipwayarebroughtupbycomparisonofmany methoads andseries ofcalcwlation.Key word: ship laamching;slipway;airbag laumching;structural anahysis
气囊下水是一种新的下水技术.在其发展的初期，船台沿用传统的滑道下水船台的形式为一直线，只是 深入水中的距离较滑道下水船台大大缩短，船台形式 如图1所示.这种船台形式简单、建造方便，但是也存 在船台末端缺乏过渡的缺点，当下水船舶的重心经过 船台末端时，往往气囊的压缩量过大，可能出现气囊 爆裂、触地等事故，同时经过此处的船底板受到强大 的气囊压力，可能导致船底结构受损.近年来，根据气 囊下水的特点，各地在总结经验的基础上，提出了多 种船台改造的方案，但缺乏理论的支撑和方案的比较.本文根据静水力和水动力学气囊下水的原理12],编制了气囊下水程序，对多种气囊下水船台方案进行 计算和比较，提出了适宜气囊下水的船台改造方案.
图1 早期的气囊下水船台1气囊下水船台的特点和末端形状万吨级以上气囊下水的船台应考虑的主要因素：1)船舶能自行滚滑下水(为克服静摩擦力，必要时 可施加一定的助动推力),万吨级以上干式直线型气囊 下水船台的坡度应适当增加， 一般可取1/100~1.2/100;2)在设计水位下水时，下水过程不发生或仅产生 可以接受的艉落和艏落现象，气囊的工作压力、承载 力均在安全范围之内；3)要尽可能保持气囊下水船台低成本的优势，船 台水下部分尽可能短.4)要适应陆地和水域条件的限制，尤其要满足在 水域狭窄或水深较浅岸线的情况下，气囊下水环境安 全要求，船台坡道在水线附近的高程要低于设计的下 水水位.5)船台各部分要有足够的强度承载下水气囊的碾 压，有足够的平整度满足气囊平稳、定向滚动要求.本文重点研究气囊下水船台的末端的形式.分析 表明，造成船底受损的主要原因是在船舶艉落时，船 体翻转的倾角比较大，气囊提供的支持力不够，船舶只能往下沉并进一步翻转，以获取得更大的浮力，达 到力和力矩的平衡，所以船台改造的主要方向是增加 船舶在翻转时刻的气囊支持力.当船舶入下水以后，跟 着入水的气囊脱离了船台贴着船底板，排列在船台末 端前一段距离内，如图1所示.如果船台末端以后再增 加一段过渡段，那些已经滚过船台末端的气囊会被压 在过渡段上，提供一定的支持力，从而降低船底受损 的可能性.由此提出了抛物线型船台(图2)、
二折线 型船台(图3)、三折线型船台(图4)
等多种船台末 端形式.下面将通过气囊下水计算，优选船台末端的形 状，确定有关参数.
2 计算方法和实船数据气囊下水计算程序分别按船舶下水的静水力学、 水动力学原理，采用VC++编写而成.该方法将船体视 为刚体，将气囊作为非线性弹簧，气囊下水过程中船 体的主要受力如图5所.建立力学平衡方程，通过求 解方程获得船舶姿态，然后根据气囊高度计算出气囊 对船体的支持力，并换算为均布力将其作用于船底板 格，按刚性板理论，用式(1)计算船底板的应力.详细的计算方法请见文献和课题组的相关论文.
图5 船舶气囊下水中的受力图纵骨边横向应力近似公式如下：(1)式中，P为气囊作用在相应肋位的荷载， kN;L 为 气囊长度，m;/ 为肋板间距，mm;s为纵骨间距，mm;t为船底板厚，mm.本文以两条20000 吨级的散货船(实船数据见表 1)基础，分别采用静水力和水动力学方法进行了气囊 下水的计算，通过系列地计算，研究了船台形式、气 囊布置、船台坡度与水位高度等因素对气囊下水性能的影响.两条船的计算结果规律相同，为节省篇幅，这 里仅列出了实船1的静水力计算结果，实船2的水动 力计算结果.表1实船数据
实船1实船2
实船1实船2
总长/m167.5158.3吃水/m98.8
两柱间长/m158149.8载重量 (DWT)2150019300
型宽/m2323自重t60455007
型深m12.812.2
3 船台末端形状的影响分析3.1 抛物线船台和折线型船台的对比取气囊下水船台的坡度(折线型船台的第一折) 为1/100,在其他因素相同的情况下，计算了图2所示 抛物线型船台(图2取直径为3m的1/4圆弧，且连接 处与原船台相切),图3所示二折线型船台第二折的 坡度取1比6,延伸段长1.5m;仅计算低水位情况， 选择水位高度0.1m, 实船1采用静水力程序的计算结 果如图6所示.
图6可以看出，抛物线型船台比折线型好，能使 船舶下水时倾角更小，翻转较小，同时船底板应力更 小.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.因为气囊的支持力主要 和初始压力及气囊压缩量有关，抛物线只要有适合的 凸度，且与船台直线有恰当的连接，就能使气囊提供 更大的支持力，比较凸的抛物线能使得气囊高度减小得比较慢，所以，这种形式最适合.但是，考虑到实际 度以下.具体数据见表2.情况，再选择折线型船台继续计算.主要理由：1)气囊下水的特点是船台施工方便、简单，而折线型船台施工的精度要求比抛物线型的要求低，易于推广；2)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%;3)若下水时刻的水位较高，完全可以弥补折线与抛物线之间的差距，换言之， 一定水位(如0.2m) 后，折线型、抛物线型完全相同.
气囊调整系数
图7气囊布置对气囊下水的影响表2气意布置对船底板应力的影响
气囊闻距(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
梯状，船尾的三、四个气囊压力低于平均压力，船首 的几个气囊压力高于平均压力，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，即中间气囊初始时刻的平均压 力，可根据经验调整.气囊间距，主要反映气囊的位置. 本文采用气囊下水静水力程序获得一系列计算结果， 如图7所示，计算结果表明，气囊间距在2m~2.5m 时，气囊调 整系数在0.8~1 之间，船底板应力维持在钢材屈服强3.3船台坡度与水位高度的影响根据上述数据，考虑到气囊实际直径1.5m, 如果 气囊间距为2m 时，下水时可能产生气囊互相碰撞、 压挤，因此，确定气囊的布置为气囊间距2.5m,气囊 调整系数1.固定船台坡度中的第二折，水位高度分别 取-0.2m、0、0.2m; 采用静水力程序的计算结果如表3 所示.将第二折固定为1/20,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4.
表3船台坡度(第二折)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
1/150.262960.2371020.223393
1/200.2437990.2171020.2108100
1/250.2437990.21441000.2108100
1/500.24521010.2171020.2108100
两折船台0.2906960.26161020.2532105
表4船台坡度(第三析)的影响
水位/m坡度0.200.2
气襄压力/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
从表3和表4中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.使用三折船台可 以改善船台性能，经过计算比较，建议第二折坡度取 1/20左右，第三折坡度小于1/10.3.4第二折长度的影响对于三折船台，本文还计算了第二折长度对气囊 压力的影响如表5所示.结果表明，第二折的水平长度 在 3m 左右时，气囊压力最小，效果最好.3.5船台改造的水动力计算选取实船2进行船台改造和敏度的水动力分析， 通过船台的倾角与潮水水位的组合计算，来发现其中 的规律，计算结果见表6和表7.表6反映的是采用水动力方法计算的第二折船台的倾角和水位对气襄压力的影响，同时还给出了二折 船台的计算结果.表6表明第二折船台的倾角对计算 结果的影响较大，其中的1/20坡度较为适宜，此时最 大的气囊压力相对较小.表7 是当第二折船台坡度为 1/20时，第三折坡度变化对气囊压力的影响，表明第 3 折船台坡度对气囊压力影响较小.比较船台改造的静水力计算结果(表3 和表4)和水动力计算结果(表6和表7),可以看出两者的 结果相当一致.
表5第二折长度的影响
长度/m 水位/m234.56
气囊压力/MP发生肋位气囊压力/MPa发生肋位气囊压力/MPa发生肋位气囊压力/MPa发生肋位
0.20.2522990.2425990.2392980.254395
00.22131020.21701020.2253980.227895
0.20.21501020.21081020.2214980.223495
表6船台坡度改变对气囊下水的影响
水位/m坡度0.4-0.2-0.10.10.20.4
最大气 囊压力 (MPa)发生肋位最大气 囊压力 (MPa)发生肋位最大气 囊压力 (MPa)发生 肋位最大气 囊压力 (MPa)发生 肋位最大气 囊压力 (MPa)发生 肋位最大气 囊压力 (MPa)发生 肋位
1/150.2261090.2061090.1971090.181090.1731090.16109
1/200.2141090.1931090.1891090.171090.1671090.15101
1/500.2191050.1951040.1861050.171040.1611040.1502
两折船台0.2561050.2211050.2071050.181050.1741050.1696
表7船台的第三折坡度对于下水的影响
水位/m坡度0.20.2
气意压力 (MPa)发生肋位气囊压力 (MPa)发生肋位
1/80.2361050.206110
1/100.2341050.204110
1/150.2321050.202110
4 结论综上所述，经过多方案的计算比较，推荐的气囊 下水船台形状为三折船台，其中第一折的坡度取 1/100,第二折坡度取1/20左右，第三折建议坡度约为 1/8,第二折的水平长度在3m 左右.参考文献：盛振邦，等，编著.船舶静力学.北京：国防工业出 版社，1984. 蒋维清，等，编著.船舶原理.北京：人民交通出版社， 1979.龚建松.船舶纵向重力式下水计算.哈尔滨：哈尔滨 工程大学，2004. 船舶气囊下水技术及其应用研究项目组.“船舶气囊下水技术及其应用研究”实船测试分析报告.2008.船舶气囊下水技术及其应用研究项目组.“船舶气囊下 水技术及其应用研究”计算分析报告.2008.船舶气囊下水技术及其应用研究项目组.“船舶气囊下 水技术及其应用研究”工艺研究报告.2008.
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