船舶气囊下水安全性评估方法研究

jimosea

气囊下水是船舶下水的一种创新方式，但是气囊下水过程中船体强度和气囊的安全性还没有定量的计算方法。近年采用气囊下水的船舶重量不断增大，下水安全性问题日益突出。本文考虑气囊刚度的非线性、下水过程中船体的力平衡条件等，提出了一种基于全船结构有限元分析的船体结构和气囊安全性评估方法。研究的内容和结果是紧密结合工程实际的．(1)考虑气囊压缩变形的非线性，研究了一种预报气囊刚度的有效方法；(2)基于弹性下水理论，研究了一种考虑弹性基座刚度非线性变化的船体梁运动和受力的计算方法；(3)提出了直接采用全船结构有限元分析计算船体结构应力和气囊受力的方法；(4)对某型实船进行了气囊下水的安全性分析，并与文献的结果进行比较，验证了气囊下水工艺的优越性和本文建议方法的准确性。


气囊下水是平地造船的一项关键技术。它不需要固定式下水滑道，具有省时，省力、安全可靠、综合经济效益显著等优点。相应的《船舶上排下水用气囊》标准【2】和《船舶用气囊上排、下水工艺要求》标准13l已经颁布。按照这两个标准已经成功完成了自重8000吨货船的气囊式下水。随着下水船舶重量在不断增加，现行标准是否还能保证船舶和气囊在下水过程中的安全性，一直没有一个定量计算方法来予以评估。这在一定程度上限制了气囊下水工艺应用的推广。事实上，在船舶气囊下水过程中，船体底部的气囊反力以及船体总弯曲力矩和局部应力的变化非常复杂，特别是在底部气囊反力变化剧烈的情况下，可能发生气囊爆炸，同时船体某些部位应力超过许用值，导致结构损坏。
为保证船舶安全下水，应采用科学的计算方法来预报下水过程中船体结构的受力情况和预先采取适当的工艺措施。常用的船舶下水强度计算方法主要是针对船舶滑道下水提出的，有船体刚性下水计算方法、弹性下水计算方法t41及将弹性下水方法与有限元技术结合的方法。刚性下水计算方法将下水船体简化为一根刚性梁，该方法仅能计算下水姿态，不能计算船底反力分布和船体内力。弹性下水计算方法则认为船体是一根弹性梁，船舶底部支撑系统是船体梁的弹性基座，船体梁在重力、浮力和支反力作用下处于平衡。因此该方法可以相对准确地计算出滑道下水过程中船体运动和受力情况。但气囊下水过程使用的滚动气囊的变形是非线性的，传统的弹性下水计算方法无法考虑基座变形的非线性，因此需要对其进行改进，使它能准确预报气囊下水过程中船舶的运动、受力及气囊的支撑情况。
另一方面，该方法仍然将船体简化成一根梁，这就使得它无法考核船舶局部强度以确定最合理的下水方案。随着计算机计算能力的不断增强和大型有限元软件的应用，使得这一问题可以顺利地解决。借助有限元计算的定量分析方法，可以准确预报气囊下水过程中气囊的安全性和船体局部结构的强度。作者基于弹性下水基本理论，研究一种适用于刚度非线性变化的气囊弹性基座的下水运动和受力预报方法；并结合有限元分析手段，提出一种气囊下水安全性的评估方法。在考虑气囊压缩变形非线性的基础上，找到一种预报气囊刚度足的有效方法。最后对实船进行气囊下水的安全性分析。

气囊下水中船舶强度和气囊安全性评估方法
气囊下水中船舶强度和气囊安全性评估方法的基本思想是应用船舶静力学和弹性力学的原理进行下水系统的运动和受力分析，并结合有限元法进行相关的分析和评估。

气囊下水工艺
与以往滑道下水采用支墩、横梁和滑道承载船舶的下水方式不同，气囊下水【1~3】是在船底布置一定数量的气囊承载船舶的下水工艺。船舶下水时，在船体底部放入起重气囊进行抬升，到达预定位置后，依次拆出支墩；同时按次序和间距放入滚动气囊，等滚动气囊全部充气完毕，撤出起重气囊。启动牵引绞车，慢慢放出钢缆，船体借助滚动气囊开始移动。当艏部最前一只气囊脱离船底后，立即抬到艉部，并按气囊排放间距置入气囊。重复上述过程，逐渐将船移至水边。此时，船舶依靠自身重力滑移下水或者用牵引绞车控制入水；回收气囊，下水完成。气囊下水的工艺布置如图1所示。

气囊下水工艺
气囊下水运动与受力分析
船舶下水作业后一段时间内，船体的重量分布在全部气囊上。随着滑程增大，船体后部浮力增大到一定程度，船体后部浮起，部分仍在坡道范围内的气囊也与船体脱离；船体重量由浮力和前部的那～些气囊承担，船底反力逐渐向艏部集中，直到船体全部起浮。整个过程，气囊的变形、反力和船体浮力、纵倾角等都是在不断改变的，而准确地预报整个下水过程的运动及受力情况对有限元分析的准确性是至关重要的。下水船舶弹性计算方法就能比较好地解决这个问题。