萬(wàn) 忠，王佳穎，楊立志

（滬東中華造船（集團(tuán)）有限公司，上海 200129）

設(shè)計(jì)與研究

集滾船艉部船體搭載下沉預(yù)報(bào)與實(shí)測(cè)分析

萬(wàn) 忠，王佳穎，楊立志

（滬東中華造船（集團(tuán)）有限公司，上海 200129）

以某集滾船為研究對(duì)象，對(duì)其艉部船體在搭載階段的下沉變形進(jìn)行有限元計(jì)算分析預(yù)報(bào)和實(shí)船測(cè)量。通過(guò)與實(shí)船測(cè)量結(jié)果相對(duì)比，證明有限元計(jì)算分析可比較精確地模擬艉部船體在縱向和垂向的變形趨勢(shì)，而對(duì)橫向變形的模擬存在一定的偏差，同時(shí)分析可能引起橫向變形模擬偏差的因素。該有限元計(jì)算分析方法可為預(yù)報(bào)類似船舶產(chǎn)品的艉部船體下沉變形提供技術(shù)參考。

集滾船；艉部船體下沉變形；有限元分析

0 引 言

在船舶搭載階段，艉部伸出主船體的部分會(huì)在臨時(shí)支柱拆除后受重力的影響出現(xiàn)下沉變形現(xiàn)象，隨著船舶尺度的逐步增大，這種現(xiàn)象會(huì)越來(lái)越常見(jiàn)。在滬東中華造船（集團(tuán)）有限公司（以下簡(jiǎn)稱“滬東中華”）大型集裝箱船和液化天然氣（Liquefied Natural Gas，LNG）船建造過(guò)程中，已多次出現(xiàn)臨時(shí)支柱拆除后艉部船體明顯下沉的現(xiàn)象。

艉部船體下沉?xí)?dǎo)致舵系發(fā)生位移變化，進(jìn)而改變軸舵系的相對(duì)位置關(guān)系。對(duì)于常規(guī)船型，艉部結(jié)構(gòu)和設(shè)備多采用對(duì)稱布置形式，因此艉部船體下沉主要會(huì)導(dǎo)致舵與螺旋槳之間的縱向間距縮短。通常情況下，對(duì)軸舵系安裝精度的要求主要以控制舵系中心線與軸系中心線的橫向偏差為主，對(duì)舵與螺旋槳之間的縱向距離并無(wú)明確要求[1]。受施工因素（如工裝設(shè)備未左右對(duì)稱布置、左右舷臨時(shí)支柱受力不均勻等）的影響，臨時(shí)支柱拆除后艉部船體下沉?xí)苟嫦蹬c軸系的中心線產(chǎn)生一定程度的橫向偏差，這種偏差可在照光時(shí)通過(guò)鏜孔進(jìn)行修正。對(duì)于常規(guī)船型，一定程度的下沉變形并不會(huì)對(duì)船體的建造精度產(chǎn)生實(shí)質(zhì)性影響。然而，對(duì)于滬東中華承建的45000DWT集滾船，情況并非如此。這主要是因?yàn)椋?/p>

1) 該船安裝了高效的推進(jìn)系統(tǒng)，為提高推進(jìn)效率，舵球前端面（見(jiàn)圖1中D點(diǎn)）與螺旋槳槳帽尾端（見(jiàn)圖1中B點(diǎn)）縱向間距的偏差應(yīng)在±1mm以內(nèi)，而艉部船體下沉必然會(huì)導(dǎo)致兩者之間的距離縮小。

2) 該船艉部結(jié)構(gòu)并非對(duì)稱形式，且在艉部右側(cè)布置有艉跳板和艉門等大型滾裝設(shè)備（見(jiàn)圖2），其中僅艉跳板的結(jié)構(gòu)質(zhì)量就達(dá)到340t。這些設(shè)備需在船塢搭載階段進(jìn)行安裝調(diào)試，根據(jù)現(xiàn)有的經(jīng)驗(yàn)難以預(yù)判滾裝設(shè)備安裝后是否會(huì)造成艉部船體發(fā)生較大程度的橫向下沉變形，以及由此導(dǎo)致舵系中心線發(fā)生橫向偏移。

3) 該船配備的貝克舵的舵套筒于分段建造階段預(yù)裝在船體分段中，后續(xù)在船塢搭載階段無(wú)需鏜孔，直接將舵桿插入舵套筒即可完成舵系的安裝，無(wú)法通過(guò)鏜孔來(lái)矯正舵系安裝偏差。

因此，需在船舶設(shè)計(jì)階段對(duì)艉部船體下沉進(jìn)行分析預(yù)報(bào)，以便在艉部總段搭載階段設(shè)置反變形量來(lái)抵消艉部船體在臨時(shí)支柱拆除后的下沉變形，從而保證軸舵系的安裝精度。

在已有的針對(duì)船舶建造階段的變形分析的相關(guān)研究中：陳彥斌[2]和劉志剛[3]分別對(duì)船舶建造過(guò)程中船體焊接變形的影響因素及預(yù)防措施進(jìn)行歸納分析；周宏等[4]基于固有應(yīng)變對(duì)集裝箱船船體總段船臺(tái)合攏焊接變形進(jìn)行預(yù)報(bào)分析；周德壽等[5]對(duì)某LNG船在搭載過(guò)程中的塢墩枕木下沉變形進(jìn)行有限元計(jì)算和實(shí)測(cè)研究。上述研究主要集中在船舶焊接變形和塢墩枕木下沉變形方面，對(duì)艉部船體下沉變形進(jìn)行的分析較少。通過(guò)對(duì)滬東中華和其他船廠的船舶搭載精度管理現(xiàn)狀進(jìn)行調(diào)研發(fā)現(xiàn)，對(duì)于批量建造的常規(guī)船型，通常通過(guò)對(duì)同一系列先建造過(guò)程中的艉部船體下沉實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析來(lái)確定后續(xù)船的搭載下沉反變形量。然而，對(duì)于集滾船等新船型，這種方法因缺少足夠的有效實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)且存在一定的技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)而難以適用。

在該船的設(shè)計(jì)階段，技術(shù)人員通過(guò)分析艉部船體在搭載各階段的受力特點(diǎn)，采用有限元方法計(jì)算艉部船體在搭載各階段的下沉變形，分析艉部船體在整個(gè)搭載過(guò)程中的下沉變形趨勢(shì)并確定船體下沉反變形量，同時(shí)在首制船建造過(guò)程中對(duì)船體的實(shí)際下沉情況進(jìn)行跟蹤測(cè)量，本文主要對(duì)此進(jìn)行總結(jié)和分析。

1 有限元計(jì)算預(yù)報(bào)

1.1 有限元建模

采用MSC.Patran軟件建立自機(jī)艙前壁至艉部的船體有限元模型。對(duì)于船體結(jié)構(gòu)，除縱骨和T型材面板等構(gòu)件采用梁?jiǎn)卧M以外，其他構(gòu)件均采用板單元模擬。建模時(shí)，在每個(gè)縱骨間距與肋骨間距之間設(shè)置一個(gè)單元。采用桿單元模擬分段階段預(yù)裝的舵套筒，并以MPC與船體結(jié)構(gòu)相連。對(duì)于結(jié)構(gòu)自重，通過(guò)給定材料密度，以重力加速度g模擬。對(duì)于搭載過(guò)程中需安放的臨時(shí)支柱，以梁?jiǎn)卧男问侥M。同時(shí)，對(duì)于部分搭載階段安裝的設(shè)備，根據(jù)力的等效原理將上述設(shè)備的質(zhì)量以質(zhì)量點(diǎn)的形式分配到相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)上[6]。最終得到的艉部船體有限元模型（含臨時(shí)支柱）見(jiàn)圖3，整個(gè)模型共包括174368個(gè)單元、88627個(gè)節(jié)點(diǎn)及7個(gè)MPC。

1.2 邊界條件和載荷

1.2.1 邊界條件

在搭載階段，船體直接擱置在塢墩上，同時(shí)在必要的位置處設(shè)置臨時(shí)支柱。底部的塢墩通常為鋼制結(jié)構(gòu)，可將其視為剛性體，因此根據(jù)塢墩布置圖對(duì)塢墩布置處的節(jié)點(diǎn)施加平動(dòng)約束，對(duì)臨時(shí)支柱的底部節(jié)點(diǎn)施加平動(dòng)約束。對(duì)模型首端節(jié)點(diǎn)施加平動(dòng)約束，區(qū)域距離艉部較遠(yuǎn)，邊界條件對(duì)艉部船體下沉變形的影響有限，所施加的約束主要用于防止船體出現(xiàn)剛性位移。

1.2.2 計(jì)算載荷

在計(jì)算分析中，主要考慮船體結(jié)構(gòu)和艉跳板等滾裝設(shè)備自身的重力，忽略分段和設(shè)備吊裝落位時(shí)瞬間的沖擊力。對(duì)整個(gè)有限元模型施加g=-9.8 m/s2的重力加速度，以模擬重力載荷?？紤]到艉跳板在安裝時(shí)是以垂直合攏的狀態(tài)擱置在2個(gè)主鉸鏈上的，其重力載荷主要通過(guò)主鉸鏈傳遞給船體結(jié)構(gòu)。根據(jù)設(shè)備廠商提供的艉跳板質(zhì)量和重心參數(shù)計(jì)算每個(gè)主鉸鏈所需承擔(dān)的艉跳板自重載荷，以集中力的形式加載于主鉸鏈處。

1.2.3 分析工況

艉部船體在搭載階段的建造過(guò)程主要分為3個(gè)階段。

1) 船體搭載成形：根據(jù)搭載網(wǎng)絡(luò)圖，按序進(jìn)行艉部船體搭載，在預(yù)裝舵套筒的ABZ01總段搭載定位時(shí)，需根據(jù)預(yù)報(bào)結(jié)果設(shè)置下沉反變形量。在該階段，應(yīng)嚴(yán)格按照焊接工藝施工并進(jìn)行船體精度監(jiān)控，以防止船體產(chǎn)生過(guò)大的焊接變形（這里不考慮焊接對(duì)船體變形的影響）。隨著船體逐步成形，臨時(shí)支柱對(duì)艉部船體起到一定的支撐作用。

2) 臨時(shí)支柱拆除：待船體焊接基本完成、整船具有連接剛度之后拆除臨時(shí)支柱，此時(shí)艉部伸出主船體的船體結(jié)構(gòu)會(huì)因臨時(shí)支柱拆除而產(chǎn)生下沉變形。

3) 滾裝設(shè)備安裝：根據(jù)該船建造技術(shù)要求，需在艉跳板和艉門等大型滾裝設(shè)備安裝完成之后進(jìn)行照光。重達(dá)數(shù)百噸的滾裝設(shè)備將使得艉部船體進(jìn)一步下沉。

對(duì)應(yīng)于上述搭載過(guò)程，分別計(jì)算艉部船體在船體搭載完成、臨時(shí)支柱拆除和滾裝設(shè)備安裝等3個(gè)工況下的變形。各工況中的邊界條件和載荷分布見(jiàn)表1。

表1 各工況中的邊界條件和載荷分布

1.3 計(jì)算分析結(jié)果

采用MSC. Nastran軟件計(jì)算得到各工況下艉部船體的變形情況，限于篇幅，此處只顯示艉跳板等滾裝設(shè)備安裝之后艉部船體的整體變形情況（即工況3，見(jiàn)圖4）。通過(guò)分析可知，隨著搭載過(guò)程的持續(xù)，艉部船體產(chǎn)生一定程度的下沉變形，進(jìn)而導(dǎo)致舵套筒發(fā)生一定程度的位移變化。

通過(guò)對(duì)比艉軸管尾端中心點(diǎn)（圖1中C點(diǎn)）和舵套筒下端中心點(diǎn)（圖1中A點(diǎn)）這2個(gè)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)在各工況中的位移變化來(lái)分析艉部船體下沉對(duì)軸舵系相對(duì)位置變化的影響。表2為艉軸管尾端中心點(diǎn)在各工況中相較于搭載初始值的位移變化值。由表2可知，在整個(gè)搭載過(guò)程中，艉軸管尾端中心點(diǎn)位移變化很小，各方向位移總的變化值均＜1mm。這主要是因?yàn)轸狠S區(qū)域多為鑄鋼件結(jié)構(gòu)，船體外板較厚，構(gòu)件布置較密，總體而言該區(qū)域船體結(jié)構(gòu)的剛度較大，加之塢墩支撐布置較密，塢墩支撐區(qū)域距離艉端端面很近，導(dǎo)致艉軸區(qū)域的船體局部下沉變形極小，在工程實(shí)踐中幾乎可忽略不計(jì)。

表3為舵套筒下端中心點(diǎn)在各工況中相較于搭載初始值的位移變化值。由表3可知：

1) 在船體搭載完成之后，舵套筒下端中心點(diǎn)垂向位移的變化為1.2mm；臨時(shí)支柱拆除之后，該點(diǎn)位移由1.2mm增加至10.9mm；滾裝設(shè)備安裝之后，該點(diǎn)位移由10.9mm增加至13.2mm；在整個(gè)搭載建造過(guò)程中，該點(diǎn)垂向總位移變化值為13.2mm。

2) 在船體搭載完成之后，舵套筒下端中心點(diǎn)縱向位移的變化值為0.6mm；臨時(shí)支柱拆除之后，該點(diǎn)位移由0.6mm增加至4.5mm；滾裝設(shè)備安裝之后，該點(diǎn)位移由4.5mm增加至6.1mm；在整個(gè)搭載建造過(guò)程中，該點(diǎn)縱向位移總變化值為6.1mm。

3) 在整個(gè)搭載過(guò)程中，舵桿下端中心點(diǎn)左右偏移的程度很小，最終位移僅為0.4mm。因此，在船體搭載過(guò)程中可忽略不對(duì)稱船體和滾裝設(shè)備對(duì)船體左右偏移的影響。

4) 由于存在臨時(shí)支柱的支撐，在船體搭載成形階段，艉部船體受自身重力影響產(chǎn)生的下沉變形較??；而臨時(shí)支柱拆除之后，船體結(jié)構(gòu)自身質(zhì)量是造成艉部船體下沉變形的主要原因。此外，滾裝設(shè)備也會(huì)加劇船體的下沉，但其影響明顯小于臨時(shí)支柱拆除之后船體結(jié)構(gòu)自身質(zhì)量的影響。

表3 舵套筒下端中心點(diǎn)在各工況中相較于搭載初始值的位移變化值 mm

2 實(shí)船建造跟蹤測(cè)量

通過(guò)分析艉軸孔尾端中心點(diǎn)和舵套筒下端中心點(diǎn)的位移變化趨勢(shì)可知：由于船體的剛度較大且存在有效的支撐，軸系區(qū)域船體在整個(gè)搭載過(guò)程中的下沉變形較??；舵系區(qū)域船體在建造過(guò)程中產(chǎn)生明顯的下沉變形。因此，在對(duì)該集滾船首制船預(yù)裝舵套筒的ABZ01艉部大總段進(jìn)行搭載定位時(shí)，施工人員根據(jù)舵套筒下端中心點(diǎn)的位移變化值設(shè)置相應(yīng)的船體下沉反變形量。精度管理人員專門在舵套筒下端中心點(diǎn)處布置全站儀測(cè)量反射貼片，并在船塢塢底標(biāo)記好參考線，用于后續(xù)對(duì)舵套筒下端中心點(diǎn)在整個(gè)搭載過(guò)程中的位移變化進(jìn)行跟蹤測(cè)量。

為降低溫差、環(huán)境和設(shè)備等因素的干擾，保證跟蹤測(cè)量數(shù)據(jù)的精確性，每日由專人在固定時(shí)間采用相同編號(hào)的全站儀，以船塢塢底參考線為基準(zhǔn)對(duì)舵套筒下端中心點(diǎn)的位移進(jìn)行測(cè)量并及時(shí)記錄測(cè)量數(shù)據(jù)。對(duì)舵套筒下端中心點(diǎn)在各工況中相較于初始定位時(shí)的位移變化測(cè)量值進(jìn)行整理，結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 舵套筒下端中心點(diǎn)在各工況中相較于初始定位時(shí)的位移變化測(cè)量值 mm

3 計(jì)算預(yù)報(bào)值與實(shí)測(cè)值對(duì)比

按船體坐標(biāo)軸對(duì)舵套筒下端中心點(diǎn)位移變化的計(jì)算預(yù)報(bào)值和實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行分類整理，結(jié)果見(jiàn)圖5。根據(jù)對(duì)比分析結(jié)果，有限元計(jì)算分析能在船長(zhǎng)方向上和型深方向上比較精確地模擬艉部船體在搭載過(guò)程中的下沉趨勢(shì)，但在船寬方向上仍存在一定的模擬偏差。具體對(duì)比結(jié)果如下：

1) 在船長(zhǎng)方向上，有限元預(yù)報(bào)的位移變化趨勢(shì)與實(shí)測(cè)值基本一致，有限元預(yù)報(bào)該點(diǎn)相對(duì)于搭載初始狀態(tài)的縱向位移變化為6.1mm，而實(shí)測(cè)值為6.8mm，兩者比較接近。

2) 在型深方向上，有限元預(yù)報(bào)的位移變化趨勢(shì)與實(shí)測(cè)值基本一致，有限元預(yù)報(bào)該點(diǎn)相對(duì)于搭載初始狀態(tài)的垂向位移變化為13.2mm，而實(shí)測(cè)值為13.7mm，兩者比較接近。

3) 在船寬方向上，有限元預(yù)報(bào)結(jié)果顯示該點(diǎn)在搭載過(guò)程中沿船寬方向的橫向偏移很小，但根據(jù)實(shí)測(cè)結(jié)果，在拆除臨時(shí)支撐和安裝滾裝設(shè)備之后，該點(diǎn)出現(xiàn)較為明顯的向左舷偏移的現(xiàn)象，但實(shí)測(cè)值仍在精度標(biāo)準(zhǔn)所允許的范圍內(nèi)，能滿足工程實(shí)踐要求。

對(duì)于船寬方向上的偏差，初步分析可能是由以下2方面原因造成的：

1) 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的測(cè)量精度容易受干擾，其中既有測(cè)量設(shè)備的影響（全站儀理論精度為±1mm），也有溫度、周邊振動(dòng)等因素的影響。

2) 龍門吊在吊運(yùn)艉跳板和艉門等滾裝設(shè)備，輔助滾裝設(shè)備安裝調(diào)試時(shí)，需重復(fù)起吊移位以調(diào)整設(shè)備的位置，滾裝設(shè)備與船體之間存在一定的沖擊載荷，且載荷偏離船體中心線，導(dǎo)致船體產(chǎn)生橫向變形，如僅考慮滾裝設(shè)備自身的重力可能并不能完全反映艉部結(jié)構(gòu)所受載荷。此外，艉部共布置有3個(gè)通向各層甲板的車輛通道，加上此時(shí)水密門及艉門等滾裝設(shè)備并未安裝調(diào)試完成，艉部缺少完整的橫艙壁，整個(gè)艉部類似于一個(gè)框型結(jié)構(gòu)，扭轉(zhuǎn)剛度相對(duì)較小，容易發(fā)生橫向扭轉(zhuǎn)變形。

上述2方面因素對(duì)橫向位移的影響要大于對(duì)縱向位移和垂向位移的影響，將通過(guò)跟蹤后續(xù)船舶的測(cè)量數(shù)據(jù)，進(jìn)一步分析造成橫向偏差的主要原因。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文對(duì)某集滾船的艉部船體在搭載過(guò)程中的下沉變形進(jìn)行有限元計(jì)算分析，為艉部船體搭載定位時(shí)設(shè)置下沉反變形量提供技術(shù)參考。通過(guò)分析，得到以下結(jié)論：

1) 在船體搭載過(guò)程中，艉軸管區(qū)域船體結(jié)構(gòu)的剛度較大，加上塢墩布置較密，該區(qū)域船體下沉變形較小。舵系區(qū)域船體在船體搭載過(guò)程中產(chǎn)生明顯的下沉變形，繼而使舵桿位移發(fā)生變化，影響軸舵系的照光精度。

2) 由于存在臨時(shí)支柱的支撐，艉部船體在船體搭載成形階段受自身重力影響下沉變形較小，而臨時(shí)支柱拆除后船體結(jié)構(gòu)自身質(zhì)量是造成艉部船體下沉變形的主要原因；滾裝設(shè)備也會(huì)加劇船體的下沉變形，但其影響明顯小于臨時(shí)支柱拆除后船體結(jié)構(gòu)自身質(zhì)量的影響。

3) 有限元計(jì)算分析可比較精確地模擬艉部船體在縱向和垂向上的變形趨勢(shì)，而關(guān)于橫向變形的模擬存在一定的偏差，這主要是因?yàn)槲从行Э紤]設(shè)備吊裝沖擊載荷等其他因素的影響，而艉部船體的扭轉(zhuǎn)剛度較小導(dǎo)致這些因素對(duì)橫向偏差的影響較大。

隨著創(chuàng)新設(shè)計(jì)的船舶日益增多，這些新船型對(duì)精度控制的要求更高，可能面臨艉部船體下沉分析與控制問(wèn)題，本文所采用的方法可為今后新船型艉部船體下沉變形計(jì)算分析預(yù)報(bào)提供技術(shù)參考。

[1] 國(guó)防科學(xué)技術(shù)工業(yè)委員會(huì). 中國(guó)造船質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)：CB/T 4000—2005[S]. 2005.

[2] 陳彥斌. 船舶建造中船體變形的預(yù)防及矯正[J]. 上海造船，2009 (4): 60-61.

[3] 劉志剛. 船舶焊接變形的控制與矯正[J]. 船海工程，2002 (1): 19-20.

[4] 周宏，羅宇，蔣志勇. 基于固有應(yīng)變的船體總段船臺(tái)合攏焊接變形預(yù)測(cè)研究[J]. 船舶力學(xué)，2013, 17 (10): 1153-1160.

[5] 周德壽，王佳穎，萬(wàn)忠.船體搭載塢墩枕木下沉預(yù)報(bào)與實(shí)測(cè)分析[J]. 船舶與海洋工程，2015, 31 (3): 22-27.

[6] 陳鐵云，陳伯真. 船舶結(jié)構(gòu)力學(xué)[M]. 北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1984.

Prediction and Measurement Analysis on the Stern Hull Sinkage of a CON-RO Vessel in Erection Stage

WAN Zhong，WANG Jia-ying，YANG Li-zhi

(Hudong-Zhonghua Shipbuilding (Group) Co., Ltd., Shanghai 200129, China)

Taking a CON-RO vessel as the research objective, the stern hull sinkage deformation in erection stage is analyzed and predicted with the finite element calculations and the measurement on site. The result of the comparison between calculation and measurement shows that the finite element calculation can simulate the stern hull deformation trend in longitudinal and vertical directions with good accuracy, but there is discrepancy in the transversal direction. The factors behind the discrepancies are analyzed. The finite element calculation method would provide technical reference for the prediction of stern hull sinkage deformation of similar ship products.

CON-RO vessel; stern hull sinkage deformation; finite element analysis

U661.4；U667.13

A

2095-4069 (2017) 05-0009-06

10.14056/j.cnki.naoe.2017.05.002

2016-05-10

工信部高技術(shù)船舶科研項(xiàng)目（Z1212E01）

萬(wàn)忠，男，工程師，1988年生。2010年畢業(yè)于上海交通大學(xué)船舶與海洋工程專業(yè)，現(xiàn)從事船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與計(jì)算分析工作。