气囊下水的安全性研究
船舶气囊下水可能造成船底和船艏板架 受损，针对这一问题，采用船舶静水力学原理，编制了 程序，进行了多种船台形式对下水过程中船体结构应 力分析。该方法将船体视为刚体，主要考虑船体所受 的重力、浮力和气囊的支反力，在船体下滑的一系列位 置计算船舶姿态，同时计算船底板应力，判断船体的安全性。关键词气囊下水 船台 改造1引 言气囊下水是一项我国独创的新型下水技术，过程简单，无需固定滑道，与传统滑道下水相比，船台制造比较简单，建造周期短，并且没有油脂的污染， 下水以后气囊可以收回重复使用。气囊下水是一种 新的技术，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，事故时有发生。随着气囊承载力的提高，采用气囊下水的船舶吨位愈来愈大，风险愈来愈高。气囊下水船台形式如图1所示。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、船艏板架受损等等。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，船台改造主要能解决船底受损(图3)和船艏板架受损的问题(图4)。 图1 气囊下水研究提出船台改造方案，结合自编下水模拟计算程序，通过下水程序计算加以验证，为船舶下水安 全提供一定的计算依据。2船台改造原理的研究2.1 船台改造后的形式选择为了解决船底和船艏板架受损的问题，本研究提出几种船台的改造形式，具体如图2～4所示。经比较选定折线型船台为船台改造方案。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，会使船在下水时，气囊提供更大的支持力。气囊的支持力主要与初始压力和高度有关，比较凸的抛物线能使得气囊高度减小得比较慢，所以从理论上来说，这种形式最适合。但是，考虑到气囊下水主要是因为船台施工方便，所以采用了折线型的船台加以计算，这种船台施工简单， 施工的精度要求不会有抛物线型的要求这么高，而且经过实际的计算比对，发现只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，所以采用折线型的船台。折线型船台也可以有一折或者两折的形式，这里采用了一折的形式， 因为一折的船台有更大的通用性。能更好地为实际情况提供计算依据，所以采用了单折的折线型船台(见图4)。 图 2 多折线船台 图 3 抛物线船台2.2 下水计算程序编制原理本研究的下水计算程序主要是应用VC++ 编 写的程序，程序理论主要是船舶下水传统的静水力图4单折线船台学下水计算。该方法将船体视为刚体，主要考虑船 体所受的重力、浮力和气囊的支反力，在船体下滑的 一系列位置计算船舶姿态，同时计算船底板应力，判 断船体的安全性。编制下水计算程序时，首先是分 别编制了浮力，气囊支持力等的函数，建立力学平衡 方程，最后求解方程，从而可以计算不同肋位下水时 船舶的姿态。根据姿态求解气囊的应力，对船体的 支持力，以及船舶每个肋位的应力，考虑最危险的截 面的应力。在不考虑船台改造因素下的计算，使该 程序的计算结果与实际下水情况比较接近。3 船台改造的数值模拟计算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 水各时刻气囊的位置以及船舶的姿态。在船舶下水以后，船舶阻止了气囊继续前进，此时气囊被船舶压在水里，气囊的浮力大于重力，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，如图1所示。造成船底受损和船艏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，倾角较大，那些相对静止的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思路， 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。3.2船台改造计算考虑因素研究考虑的主要因素有，下水时刻水船台位的 高低、船台的坡度、初始时刻气囊的布置。
3.3船台改造实例计算3.3.1 船台改造实例资料根据船厂提供的资料，16600DWT级散货船 的参数如下，船台资料和下水方案见表1、表2。主尺度31994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing
总 长两柱间长型 宽型 深设计吃水151.10 m145.34 m 21.00 m12.00 m8.60 m
空船重量4860t、重心的纵向位置在90#肋位。表1船台参数
船台坡度(弧度)船台摩 擦系数船台末端深到水下高度(m)船台末端深到水下长度(m)水面到船台的距离(m)尾柱到船台端部的 距离(m)
0.0120.0170.24.20.363.5
表2气囊参数
0#肋位气囊初始高度(m)气囊总数 (个)气囊直径(m)气囊长 (m)
0.65421.517
3.3.2计算结果(1)考虑船台条件不变时候，改变气囊的布置， 气囊布置主要包括气囊间距，气囊的初始压力。计算结果如图5,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(指气囊初始压力的平均值)在0.8到1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危险时刻船底板的最大应力)维持在屈服强度以下。 气囊调整系数图 5 气囊压力和间距的影响(2)考虑到气囊实际直径1 . 5m,实际排列为 2m, 在下水时候会产生气囊互相碰撞的可能性，取 气囊间距2 . 5m, 气囊调整系数1计算在固定气囊 布置时，分别计算固定船台坡度，改变水位高度；固定水位高度，改变船台坡度下水时，船底板应力的变 化，结果如图6所示； 1/船合坡度图 6船台坡度和水位的影响从以上的计算结果可以看出，水位在0.6m以上的高水位时，船底板应力变动比较小，且船底板应力在钢材的屈服极限内，能比较顺利地下水；水位较低，船台坡度在6:1～8:1 时，船底板应力最小，最适合下水，但是此时的船底板应力还是大于钢材的屈服强度。选择水位0.1m, 船台坡度6:1的情况下，完整计算该船下水的应力，结果如图7所示，船底板应力只是在76到86肋位间下水时应力特别大，从船舶下水速度来看，此段应力大于屈服强度时间短且数值波动大，并不是一直处于高应力状态。 由于钢材的屈服极限与加载的速度有关，速度越快， 屈服极限提高越多。4结 论 图 7 下水不同肋位时的船底板最大应力综上所述，坡度6:1时，改造后的折线型船台 不仅在低水位适合16600DWT 级船舶下水，高水位 时肯定也可以下水。需要说明的是，因为该算例计 算的结果，船底板应力只是在比较短的时间超过屈 服应力，所以没有提出修改方案，就完全能使得船底 板应力缩小到屈服极限范围内，使船安全下水。
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