根据船舶静力学原理,编制船舶气囊下水静水力计算程序,进行19200DWT散货船的气囊下水计
算;采用非线性有限元程序,进行该船气囊变形和总纵弯矩计算,验证了自编程序的正确性;采用有限元程序,进行下水过程的船体应力分析,并获得船底板的最大应力。最终证明了该船气囊下水的安全性。
船舶 气 囊 下 水 是 我 国 独 创 的 新 型 下 水 技 术 ,对中小船舶企业发展起到了极大的推动作 用 。但是 , 由于该技术缺乏理论研究 ,安全性得不到 保证 。鉴此 , 国家级的《船舶生产企业生产基本 条件评价要求 》和省级的《浙江省低质量船舶专项 治理船厂检查验收实施办法 》, 都明确要求船厂必 须进行气囊下水论证或计算 。 20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 。但是 , 这些研究都是 针对传统的滑道下水 。对于气囊下水 , 由于气囊的 囊壁既柔软又富有弹性 ,此时船舶支撑力主要取决 于气囊的刚度 、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 下水产生了许多有待研究的新问题 。在浙江省科技 厅 、交通厅 、船舶行业协会的大力支持下 ,浙江工业 大学会同有关单位 ,进行了船舶气囊下水技术研究 。 研究成果将为船舶气囊下水的安全性评价提供理论 依据 、评价方法和手段 。 本文根据船舶静力学原理 , 结合非线性有 限元程序 , 进行19200 DW T散货船的气囊下水计 算 ,验证了自编程序的正确性 。
1 船舶气囊下水的静水力分析
1. 1 下水过程受力分析 如图 1所示 ,船体在下水过程中的受力主要有 : 船体的重力 、水对船体的浮力 、气囊对船体的支持力以及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 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; 在不同的下水阶段 , 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 。 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 , 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 所示 ,建立直角坐标系 , 原点 O 在船台端点处 , x 轴为水平面 , 船台相对与水平面的倾角为α, 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 其中 m i 是每个肋位的质量 , Fi 是每个肋位的 浮力 , Ni 是每个肋位气囊的支持力 。将浮力 、重力和支持力对船台端点取矩 ,得到以 下的方程 :其中 xi 是每个肋位到船台端点的距离 。 对于确定的下水肋位 , 由于浮力和气囊的支撑 力及其对船台端点的矩都是船舶姿态 (基线相对于 O 点的高度和基线相对于船台的转角 )的函数 , 因此 通过求解公式 ( 1) 和 ( 2) 可以获得下水到某个肋位 时的姿态 。考虑船舶气囊下水运动的各种参数 ,如 : 船台倾角 、船台末端形状 、船舶的吃水位置 、船体所 受浮力 、气囊的压缩刚度 、气囊对船体的支撑力等 等 ,编制了实用的船舶气囊下水静水力分析程序 ,进 行 19 200 DW T散货船的船舶气囊下水的静水力分 析 。所用主要参数见表 1、表 2 ,计算结果见表 3。
计算结果表明 ,采用非线性有限元程序的计算 结果与自编程序的所得结果吻合较好 , 如工况 3 非 线性有限元程序算出的最大弯矩是 57 400 kN ·m , 自编程序的结果是 58 200 kN ·m ,证明自编程序是 正确的 。在下水计算过程中 ,近似地将船体梁作为 刚体 ,计算船体的浮力和气囊支撑力导致的误差是 可以接受的 。
4 船体局部强度分析
采用三维有限元模型 ,选取散货船货舱 1 /2 个 NASTRAN 进行了舱段结构的有限元分析 。图 8 给 出了下水至 80 #肋位 (工况 3) 的船底板的应力云 图 。 有限元计算表明 , 下水过程中船底的应力变化 较大 ,在下水 80个肋位时 , 由于此时出现尾落现象 , 船台末端的气囊压缩量达到最大 ,气囊的压力也就 达到最大 ,导致经过此处的船底板应力达到最大值 , 合成应力为 148 MPa ,但未超出材料屈服极限 ,且作 用的时间很短 , 尚不会对船底板造成永久的变形 。
5 结 语
通过对 19 200 DW T散货船气囊下水的系统分 析 。获得如下结论 : ( 1)船体气囊下水过程中采用静水力方法 , 将 船体作为刚体 ,将气囊作为非线性弹簧是可行的 ; ( 2)船体重心经过船台末端时 ,船体出现尾落 ; 在下水到 120 个肋位附近 ,船体出现尾浮 。气囊下 水由于几乎没有水下的滑道 ,容易出现尾落现象 ; ( 3)有限元计算表明 , 下水过程中总纵应力不 大 ;在船体重心经过船台末端时 , 即下水 80 个肋位 时 , 由于船台末端的气囊压力很大 ,导致经过此处的 船底板应力较大 ,但未超出屈服极限 , 尚不会对船底 板造成永久变形 。
考虑船体静止处于船台上 (工况 1) 、下水 80个 肋位 (工况 3) 、下水 140个肋位 (工况 5) 、船体完全 下水 ,处于漂浮状态 (工况 7)气囊位置和浮力 ,在模 型的两端施加总纵弯矩 ,在船底板处施加气囊的支 撑力和水的浮力 ,采用大型通用结构分析系统 MSC- [参考文献 ] [ 1 ] GB / T3759O1996 . 船舶上排 、水用气囊 [ S ]. [ 2 ] CB / T3837O1998 . 舶用气囊上排 、下水工艺要求 [ S ]. [ 3 ] 江跃飞 . 气囊下水在中小型船厂的应用 [ J ]. 湖南交通 科技 , 2004 ( 2) : 93 ～95. [ 4 ] 高岚虹 , 叶家玮 . 船 舶 纵 向 重 力 式 下 水 的 预 测 模 型 [ J ]. 船舶 , 2000 ( 4) : 19 ～22. [ 5 ] 顾永宁 . 船舶纵向下水弹性计算方法和结构安全性 [ J ]. 上海交通大学学报 , Vo1. 30 ( 10) : 104 ～110. [ 6 ] 卢镇光 ,束长庚 . 船舶纵向下水试验及支座反力的计 算 [ J ]. 中国造船 , 1996 ( 1) . [ 7 ] 杜忠仁 . 船舶下水时船体底部结构受损分析实例 [ J ]. 造船技术 , 1991 ( 5) . [ 8 ] 盛振 邦 . 船 舶 静 力 学 [M ]. 北京 : 国 防 工 业 出 版 社 ,1984. [ 9 ] 陈宾康 . 船舶静力学现代计算法 [M ]. 大连海事大学 出版社 , 1995. [ 10 ] 金在律 . 船舶计算结构力学 [M ]. 大连理工大学出版 社 , 1990.
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