潘政中

摘 要：現(xiàn)階段國內(nèi)大部分船廠船舶下水方式主要有三種方式：縱向滑行下水方式、借助浮船塢進(jìn)行下水、使用干船塢進(jìn)行下水。本文結(jié)合現(xiàn)場運(yùn)用要點(diǎn)主要探討船舶縱向滑行下水方式的計(jì)算，并根據(jù)船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)給出下水墩位布置的一些建議。

關(guān)鍵詞：船舶下水；計(jì)算方法；力學(xué)分析；支墩反力

船舶下水相當(dāng)于船舶的出生，它第一次接觸到實(shí)際意義上的水，就像人平安出生一樣，船舶下水也需要保證安全計(jì)算。船舶下水計(jì)算目的就是預(yù)測船舶下水過程中的安全性。

一、下水階段描述及各階段注意事項(xiàng)

按照船舶下水過程中的運(yùn)動(dòng)特征、力的變化以及有可能出現(xiàn)的危險(xiǎn)情況，慣例地把船舶下水過程劃分為4個(gè)過程。

第一階段：自船舶開始滑動(dòng)至船體接觸水面為止

在這一階段中，船依靠本身重力沿滑道方向的分力下滑。設(shè)下水重力為（包括船體及下水支架），滑道坡度為（弧形滑道取重心正下方之滑道坡度），靜摩擦系數(shù)為，則船開始滑動(dòng)條件為使船下滑的作用力

，即

這一階段應(yīng)注意船舶的重量及重心的位置。

第二階段：自船體尾端接觸水面至船尾開始上浮為止

這一階段中船的運(yùn)動(dòng)仍然平行于滑道，該階段的力及力矩平衡方程式為：

；

式中，，及分別為下水重力，浮力和滑道反作用力的作用點(diǎn)至下水架前端點(diǎn)的距離。

在這一階段中應(yīng)避免尾下落現(xiàn)象。

第三階段：自船尾開始上浮至下水架滑板前端離開滑道為止

理論上，當(dāng)船尾開始上浮時(shí)，滑道反力集中于下水架前支點(diǎn)處。此時(shí)力及力矩的平衡方程為：

船尾上浮是船舶下水過程中的正?，F(xiàn)象。但應(yīng)采取適當(dāng)?shù)拇胧?，避免壓力集中作用于下水架前端一點(diǎn)，造成結(jié)構(gòu)損壞。通常在前部滑板與船體之間填入普通愣木，使反力分布在相當(dāng)長度內(nèi)。

第四階段：自下水架滑板前端離開滑道至船舶停止運(yùn)動(dòng)為止

下水船舶全浮后，由于慣性作用將在水中繼續(xù)滑行，但是船舶受到水和其他制動(dòng)物的阻力作用，其滑行速度將逐漸減小，直至滑行停止。

在這一階段應(yīng)避免出現(xiàn)以下兩種情況：1、下水架滑板前端離開滑道末端時(shí)，船舶下水重量仍大于浮力——首吃水小于船首自由浮起的首吃水，將發(fā)生船首跌落現(xiàn)象。2、下水船舶脫離滑道以后，由于慣性將繼續(xù)在水面上向前運(yùn)動(dòng)一段距離。若水域狹窄，可能造成碰撞和擱淺。

綜上所述，船舶下水計(jì)算需要輸出的結(jié)果有三大類別：限制尾下落的條件、首支點(diǎn)的最大壓力、限制首跌落的條件。

二、船舶下水計(jì)算力學(xué)分析

船舶下滑運(yùn)動(dòng)與其所受作用力關(guān)系密切。如圖1所示：

重力是下水時(shí)船的重量，包括船體重量和下水架的重量，是下水過程中的重要因素。

浮力是船體入水部分所受水壓力的合力；在下水過程中，浮力和浮心位置B都隨時(shí)間變化。

滑道法向反力，方向垂直于滑道。

滑道摩擦力平行于滑道，與船舶的下滑力相反，阻止船舶下滑。

水動(dòng)力包括水的粘性運(yùn)動(dòng)阻力和動(dòng)量變化力。

當(dāng)重力的力矩與浮力和滑道發(fā)作用力的合力的力矩平衡時(shí)，船舶開始尾浮。此時(shí)應(yīng)該校核船舶下水最尾墩位的滑程，以確定是否出現(xiàn)尾下落，得出避免船舶尾下落的最小潮位。另外，該階段會(huì)出現(xiàn)船舶的最大沉深，應(yīng)該考慮避免船尾接觸塢墩。

當(dāng)浮力與重力平衡時(shí)，船舶完成尾浮。此時(shí)應(yīng)該校核首墩的滑程，以確定是否出現(xiàn)首跌落，得出避免船舶首跌落的最小潮位。如果船舶下水區(qū)域的潮位是在不能滿足避免首跌落的潮位要求，對于布置2根滑道的船臺，可在其下水部分做出中心凹槽，當(dāng)發(fā)生首跌落時(shí)就可避免船舶撞擊船臺或水底。另外，首支點(diǎn)所受壓力在該階段達(dá)到最大，應(yīng)給出所受壓力的最大數(shù)值以便下水布置時(shí)施工人員選擇合適的首支點(diǎn)工裝。

三、船舶下水計(jì)算方法分析

船舶下水計(jì)算方法分析包括了多方面的內(nèi)容，以下從基本計(jì)算假設(shè)、基本計(jì)算原理、整體計(jì)算流程等方面出發(fā)，對于船舶下水計(jì)算方法進(jìn)行了分析。

基本計(jì)算假設(shè)

在船舶的下水過程中，其計(jì)算的基本假設(shè)主要包括了船梁撓曲線和總縱彎矩以及和滑道反力的計(jì)算原理和內(nèi)容。在本文的研究過程中假設(shè)船舶下水是在三維空間中的六個(gè)自由度的復(fù)合運(yùn)動(dòng)，

即為且這一運(yùn)動(dòng)會(huì)受到部分隨機(jī)因素影響。其次，因?yàn)榇w的橫剖面和慣性矩只需要參與船體總縱彎曲的全部縱向構(gòu)件，然后在此基礎(chǔ)上通過假設(shè)船體梁的中和軸在負(fù)荷為零時(shí)，就能夠在此基礎(chǔ)上讓船舶在垂直于中和軸的方向處于掙力平衡狀態(tài)。[1]

基本計(jì)算原理

船舶下水計(jì)算方法有著全面的計(jì)算原理，既在下水的第一、二階段確保中和軸與滑道平行，然后在此基礎(chǔ)上根據(jù)船體處于靜平衡狀態(tài).至于船體在沿中和軸方向上受的力，如下滑力和慣性力以及水阻力以及附連水等對垂直方向的影響很小，從而能夠使其忽略不計(jì)。其次，在判定基本計(jì)算原理時(shí)還應(yīng)當(dāng)避免外伸重量過大問題的出現(xiàn)，從而能夠在此基礎(chǔ)上將外伸重量全部加到O～20站內(nèi)。其公式為：

在這一階段中彈性的基礎(chǔ)梁會(huì)受到的外荷重的影響，并且所有的力與撓度方向在與夕軸同向時(shí)為正。[2]

整體計(jì)算流程

船舶下水計(jì)算應(yīng)當(dāng)有著完善的計(jì)算流程。在這一過程中設(shè)計(jì)人員應(yīng)當(dāng)考慮到其對于浮力的影響以及船底有效剛度的影響，以此為基礎(chǔ)來判定船體梁的平衡微分方程。其次，因?yàn)檫@一方程的解析在數(shù)學(xué)上存在著較大程度的困難，因此設(shè)計(jì)人員應(yīng)當(dāng)通過采用虛位移原理來等價(jià)船體梁的平衡微分方程，并且通過采用李茲法來趨近于所需求的下水過程中船體梁的撓曲，表現(xiàn)為：

因此這意味著只要能夠求得解線性方程組，然后以此為基礎(chǔ)就能夠求得墩木反力。為此我們編制了相應(yīng)的計(jì)算機(jī)程序，通過執(zhí)行流程就能夠用電子計(jì)算機(jī)很容易地可進(jìn)行逐步逼近來求得精確位置，計(jì)算結(jié)果表明了這一假設(shè)本身所具有的合理性。[3]

四、船底局部強(qiáng)度及支墩反力

船舶強(qiáng)度設(shè)計(jì)是以能承受船體航行過程中分布水壓力為依據(jù)設(shè)計(jì)的船底縱桁和實(shí)肋板之間的小板架。由于這樣的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，船底各點(diǎn)的局部剛度不同，布置有實(shí)肋板及強(qiáng)縱桁的位置局部最大；有縱骨的位置局部強(qiáng)度較大；其余位置的局部強(qiáng)度隨著離開這些加強(qiáng)筋而很快的降低。

船舶下水時(shí)作用在船底上的支墩反力非常大，并且集中作用于船底與支墩接觸的局部區(qū)域，這和船舶航行狀態(tài)下的受力性質(zhì)是完全不同的。這樣的船底結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，使得船底板不同部位在下水過程中的凹入變形差異較大，相應(yīng)的，與船底各部位對應(yīng)的支墩局部點(diǎn)，壓縮變形也有很大的不同。

根據(jù)船底結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)和船舶下水的受力性質(zhì)，對下水墩位置提出如下建議：支墩應(yīng)盡可能布置在縱向或橫向強(qiáng)力構(gòu)件下，如船底縱桁或縱艙壁，實(shí)肋板或強(qiáng)力肋板等；由于下水時(shí)的載荷是一次短時(shí)間作用，因此，對局部彎曲和應(yīng)力集中引起的二次應(yīng)力允許超過其抗彎和抗剪強(qiáng)度以及薄壁構(gòu)件的穩(wěn)定性，但高應(yīng)力進(jìn)入塑性應(yīng)力重新分布后，結(jié)構(gòu)不應(yīng)出現(xiàn)大的變形；當(dāng)強(qiáng)度和穩(wěn)定性不足時(shí)，應(yīng)予以加強(qiáng)。所加強(qiáng)構(gòu)件應(yīng)避免因應(yīng)力集中而可能導(dǎo)致船體的疲勞損傷，避免在已有構(gòu)件焊縫處重復(fù)施焊，特別是下水首支墩與船體連接處的局部強(qiáng)度。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳鐵云，沈偉琴，朱崇賢.船舶無首支架縱向下水新工藝的力學(xué)分析與計(jì)算[J].船舶工程，2015，02（1）：37-39.

[2]王化明，屠璐瓊，陳林，趙春慧.橫流環(huán)境下船舶縱向下水試驗(yàn)研究[J].中國造船，2016，1（02）：45-47.

[3]陳鐵云，張圣堃，錢仍勣.船舶計(jì)算結(jié)構(gòu)力學(xué)的現(xiàn)狀和發(fā)展—數(shù)值分析方法在船舶結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算中的應(yīng)用[J].上海交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2016，1（02）：

26-29.