（水力学及河流动力学专业论文）气控式卧倒门辅助设计软件的研究.pdf

中文摘要 卧倒门是一种坞门的新型式，它由压缩空气控制门体的起卧。近年来随着 船坞建设的发展，得到了普遍应用。但是由于其在水中的运动状态比较复杂，并 受多种因素的影响，如水流、风浪等，一般多采用物理模型试验方法来确定其设 计合理性；而a u t o c a d 作为一个成熟的计算机辅助设计软件，在设计领域已 经得到了十分普遍的应用。将两者进行结合，可以计算出卧倒门的质心、浮心、 转动惯量的变化，确定舱格设计是否合理，并得出其起卧状态。 本文通过对已有的气控式卧式双面板干船坞卧倒门的实验成果和成形理论 的解读，在理解其起浮和卧倒机理基础上，应用a u t o c a d 中的内嵌二次开发 语言进行开发。分别计算出坞门在不同运动时刻下的转动惯量、合力矩。除此之 外还整合了对卧倒门在海水中运动中的动力特性研究，使卧倒门的设计，特别使 其舱格设计更具可视化，对卧倒门的设计过程得以优化，为设计提供了极大的方 便。文中结合了具体的实例，验证了此套工程软件的合理性。 一 在过去对卧倒门的设计和研究中，已经形成了一套较为完整的理论和设计 思路，但是并没有形成一套行之有效并简单实用的工程软件。开发相应软件势在 必行，所以本文的重点，即是通过c a d 平台，建立数学模型，将已有的成果通 过软件的形式予以表达，以求达到数字仿真的效果。 关键词：干船坞，卧倒门，舱格，机理，c a d a b s t r a c t t h ed o o ro f t h i sn e wk i n di si ng e n e r a lu s ew h i c hi sc o n t r o l l e db yc o m p r e s 辨d a i rw h i rt h ed e v e l o p m e n t so f t h ed o c kc o n s t r u c t i o n a tt h es a m et i m e , i t sk i n e s t a t ei s s oc o m p l e xt oe v o l v es t u d yb yp h y s i c a la n a l o g u eo v e ral o n gp e r i o do f t i m e ；a sat y p e o f m a t u r es o f f v a r e , a u t o c a d ”i su t i l i z e du n i v e r s a l l y , e s p o c i a l l yi nd e s i g nf i e l d c o m b i n i n g t h eb o t ha b o v e t h es o f t w a r ec a nr e f l e c tt h ev a l u eo f t h ec e n t e to f g r a v i t y a n db u o y a n c y , t h et o t a lm o m e n t , r o t a r yi n e r t i ae t e o t h e r w i s e ，t h er o u t i n ec a l c u l a t i o n w i l lm a k ec e r t a i nw h c t h c rt h ec a l ld e s i g no f d o c kg a t ei sa p p r o p r i a t ei n t h ea b s t r a c t a n dt h es t a t eo f r o t a t i o nc a nb eo b s e r v e de a s i l y t h i sp a p e ri sb a s e do nt h ea p p r e h e n s i o no f t h ep a s tt h e o r i e sa n dr e s e a r c h e s a b o u tp n e u m a t i cc o n t r o ld o u b l e - s i d e dg a t eo fd r yd o c k , a n di se x p l i c a w x lb yh y d r a u l i c r a t i o n a l e sa n dr i s i n g - a n d - f a l l i n gm e c h a n i c a lp r i n c i p l e s t h i ss o r w a r ci sd e v e l o p e db y i n n e rp r o g r a m m i n gl a n g u a g ei n a u t o c a d ”i tc a nc a l c u l a t et h et o t a lm o m e n ta n d r o t a r yi n e r t i ar e s p e c t i v e l y i na d d i t i o n , t h i sp r o g r a ms y s t e mi n t e g r a t e st h ed i s q u i s i t i o n s a n d a n a l y s i so nt h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c sa b o u td o c kg a t e i no r d e rt om a k e t h e d r a w i n ga n dc a b i nd e s i g nm o r ev i s u a l i z i n g t h r o u g ho p t i m i z i n gd e s i g np r o c e d u r e ，t h e d e s i g na n dt e s t i n gd c p a r m l e n t sc a n a c h i e v ef u r t h rc o n v e n i e n c e sb yt h eb o l yp o k e r a t l a s t ，t h i sd i s s e r t a t i o nt e s ta n dv e r i f yi t sr a t i o n a l i t y i nt h ep a s t ，t h e r eh a sa c c o m p l i s h e das u i to f r o u n d e dt h e o r i e sa n dd e s i g nm e t h o d s i na w a y h o w e v e r , 1 1 0c o r r e s p o n d i n gp r a c t i c a lp r o j e c ts o f t w a r e ，a st h i n g sa r c ，w a s d e v e l o p e dt os a t i s f yt h en e c e s s i t yo f t h ep r o j e c to f d o c kg a t e i ti si m p e r a t i v et o d e v e l o pp r o g r a m m i n gm o d u l ea n dc a r r yt h r o u g hm o t es c h o l a s t i cp u r s u i ta b o u t i t t h i s a r t i c l ep u tm u c he m p h a s i su p o ng i v ee x p r e s s i o nt or e s e a r c ha c h i e v e m e n t sa n dd e s i g n m e t h o d s b y t h e f o r m o f s o f t w a r e ，i n a n a t t e m p t t o o b t a i n t h e f u n c t i o n o fd i g i t a l s i m u l a t i o n k e yw o r d s ：d r yd o c k ，d o c kg a t e ，c a b i n ，m e c h a n i s m ，c a d 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得鑫凄盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：黄汤 签字日期： 加f 年月归日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤鲞盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 黄孝 导师签名： 觚，彳 签字日期：乃年7 月i d 日签字日期：2 嘶年月7 0 日 天津大学硕士学位论文第一章概论 第一章概论 1 1 卧倒门的发展过程及其特点 干船坞的使用和发展在我国具有悠久的历史，早在公元1 0 7 0 年，中国人最 早发明了它。我国从上个世纪六十年代末起开始研究一种新型的、用压缩空气控 制的卧倒式坞门i l j 。经过设计、模型试验、设计修改、试运转、生产实践、再修 改等多次反复过程，并相继设计建成了新港2 5 万吨级船坞坞门、北海船厂、文 冲船厂、山海关船厂等的船坞坞f - j i z l 。+ 1 9 7 5 年在我国援建的马耳他船坞中，也采 用了这种门型，其尺寸达“5 米x 5 6 米1 2 5 米( 长x 宽高) ，在当时具有 领先水平。经过多年的使用，证明这种坞门的起卧工艺设计是成功的，相对于其 它的坞门型式来说，卧倒式坞门的水密性较好，启闭速度比较快，受风、浪、潮 位、水流的影响也相对较小。同时它还具有结构简单、耗钢量较小的特点，是值 得推广的坞门形式。 气控式卧倒门是一种操作简单，使用方便，性能可靠的一种坞门型式。这种 坞门通常分割成数层隔舱。主要部分有：上部潮汐舱，开有数个水孔和气孔，与 外海连通，使舱内水体可随涨落潮自由进出；中部空气舱，一般包括固定浮舱和 操作舱，舱内设有气管，为坞门的起卧提供动力，坞门的起卧正是由操作舱进气 排水或排气进水予以控制，对船坞起卧性能有至关重要的作用；下部压载水舱， 以增加卧倒门自重，用来抵消多余浮力1 3 1 1 4 1 1 5 1 1 6 1 。根据坞门的结构型式( “单面板” 或“双面板”) 、尺度的大小还可设置备用舱、边浮舱、底浮舱等嘲。这些舱格的 布置均是为了满足坞门安装方便；使用中操作安全；起卧过程平稳：船舶进出船 坞在最低设计水位时，平卧于门坑的坞门不被进出船坞的船舶产生的负压力所掀 动。气控式卧倒门由于在水中的运动状态，不仅门体运动部分的重量、重心位置、 固定浮舱、操作舱及压载水舱的位置对卧倒门的运动有重要影响；在操作过程中， 空气操作舱的进排气的速度也对卧倒门的运动状态影响较大，此外还受其它多种 因素的影响，如水流、潮位、风浪、水的阻力及舱室内水和空气的相互作用等变 化因素。由于卧倒门的影响因素多样性及其卧倒过程的复杂性，如果缺乏综合考 虑，很容易造成不必要的损失，而过去的设计一直多是以实际的物理模型进行现 实参照。 在坞门门体底部装有一与门墩相连的水平转轴，转轴轴线平行于水面。坞门 天津大学硕士学位论文第一章概论 门体可以绕转轴转动，实现坞门的开启与闭合。气卧式卧倒门不同于起卧由卷扬 机牵引的卧倒坞门而是在门体内适当的位置设置了适量的固定浮舱和压载水舱 以及空气操作舱。通过调节压缩空气的出入调节空气操作舱内海水的体积，改变 坞门所受到的浮力，从而改变坞门所受的倾倒力矩实现坞门启闭，所以这种型式 的坞门操作十分方便，只要一人即可。操作时，关闭通向空气操作舱的进气阀， 打开放气阀，空气操作舱充水，当充水至一定量时，作用在坞门上的重力矩大于 浮力矩，坞门就会自动向海侧倾倒，绕转轴转动直至卧于门坑内，这是卧倒门的 开启。当需要将坞门关闭时，只要打开进气阀，关闭出气阀，把具有一定压力和 流量的压缩空气充入空气操作舱，排出一定量的海水，坞门浮力增加，作用在坞 门上的浮力矩大于重力矩，坞门就会由平卧位壹绕转轴徐徐转动直至垂直，贴于 门墩上，坞门关闭。 常见的卧倒式坞门有单面板型和双面板型两种型式。单面板卧倒坞门门体型 面象英文字母p ，它的舱室布置于门体的上部。门体的下部是单面板，挡水面在 坞室一侧。由于单面板卧倒门的舱室都布置在坞门的顶部，离转轴的距离较远， 只要用较小的舱室就能产生较好的倾倒力矩和扶正力矩，浮卧性能较好。并且它 的结构自重较轻，在相同条件下，单面板卧倒门比双面板卧倒门约轻百分之十以 上。但是，大型单面板卧倒式坞门的项部水平大梁的钢板厚度会很大，制作的工 艺性很差；同时也由于舱室较高，它不宜用在潮差大而且要求较低水位时也能正 常起卧的海域 9 1 。 双面板卧倒坞门的横截面象汉字目。这种型式的坞门无论外观和结构都与沉 箱式坞门相似，是一个矩形金属结构箱体。在门体内部自上而下有几层甲板，甲 板之间又有纵横舱壁把空间分隔成不同作用的舱室。这种门体的上下外形尺寸变 化很小，又全是箱形，所以门体结构的刚度较大，结构自重也较大。它的外板厚 度较单面板的薄一些。由于它的门体厚度比浮箱式坞门小，所以它的外板厚度比 浮箱式坞门大。它的内部空间很大，舱室布置受到的限制较少，可以摆放得较低， 因此双面板卧倒坞门容易在较低水位上实现启闭，但此时它为得到足够的浮力矩 所需要的舱容较大。 国内万吨级以上船坞坞门多采用双面板型式。它们的结构大同小异，多具有 如图1 1 所示的外形。上部为潮汐舱，在邻近海域一侧开有一定数量的水孔，在 潮汐舱上部开有气孔，使得潮汐舱内的水位随同海域潮位的升降而升降，这样避 免了由于潮位的升降而引起的坞门浮力变化，从而导致不能正常开启的状况。并 且在坞门的水上运动过程中保持潮汐舱内外水位连通。在坞门中部布置有固定浮 舱和空气操作舱。固定浮舱的作用是减小坞门重力，减小坞门下卧时的冲击力， 减缓和加速坞门启闭速度。空气操作舱的作用则是通过进气排水或进水排气控制 天津大学硕士学位论文第一章概论 坞门的起卧。坞门的下部为固载水舱，一般情况下均装满淡水，作用是在坞门的 运动过程中，减小坞门浮力，增加坞门运动的稳性。坞门门体通过铰座与门墩相 连，铰座偏心布置。 虽然在卧倒门的设计和使用中，多年来积累了相当的经验。但就目前的状况， 多是仅有一个设计方案，没有进行方案优化比较，或者是设计和试验数据难以整 理，不利于数据的再利用。而且由于卧倒门本身在水下运动的复杂性，需要有这 么一套相应的交互式软件从理论上给与直观的全程反映。除却考虑静力学的因素 外，并把其动力因素吸纳进来，在多个层面上提升用户对卧倒门设计的可操作性， 以保证设计过程和实验过程的顺利进行。 图1 - 1 卧倒门的三维结构示意图 图1 - 2 卧倒门剖面结构示意图 固 定 操 浮 作 舱 舱 o 天津大学硕士学位论文第一章概论 1 2a u t o c a d 与其二次开发语言的主要特点及应用 a u t o c a d 第一版于1 9 8 2 年1 1 月由a u t o d e s k 公司推出，它是一个通用绘图 软件，其功能强大，适用面广。【1 7 】目前的最新版本是a u t c a d 2 0 0 6 ，其二次开 发语言也不断涌现。目前为止，其开发语言有a u t o l i s p 、v i s u a ll i s p 、v b a 及 o b j e c t a r x 四种l l s l 。 目前a u t o c a d 是世界上最流行的计算机辅助绘图( c a d ) 程序。成千上万的在 日常工作中应用a u t o c a d ，很多人将a u t o c a d 作为主要专业工具。作为绘图程 序，a u t o c a d 使你能以惊人的速度和精度绘制很简单或极复杂的图形。利用 a u t o c a d 可绘制二维平面框图或生成三维空间模型，图形可严格按用户的规定 制，使各个图形元素精确出现在指定的位置上。 a u t o c a d 有上百种不同应用一从基本的设计和绘图工作到建筑与工程设 计，地理与地质绘图以及计算机辅助制造和加工。新的应用几乎每个月都出现， 开发者为使a u t o c a d 适应很多专门和独特的用途研制了上百种附加配套程序。 a u t o c a d 用途的多样性源于其较强的功能和灵活性。灵活性指很少人以完全相同 的方式应用a u t o c a d 程序。然而美妙的是基本上所有a u t o c a d 用户都应用相同 的概念和命令集。一旦掌握了少许命令和概念，就可以高效地应用a u t o c a d ，然 后就可以按很多方式改写程序使工作更容易。 v i s u a l l i s p 语言是为了适应编程语言发展的需要，于1 9 9 8 年3 月底正式推出 l 圳，它是在a u t o l i s p 的基础上添加了对a c t i v e x 对象模型的支持而形成的具有 面向对象功能的编程语言，集a u t o l i s p 语法与a c t i v c x 对象模型于一体，功能 强大( 埘。v i s u a ll i s p 语言还提供了集成开发环境，极大地减轻了程序开发的工 作量，提高了程序开发的效率。 它所具有的优缺点如下1 3 2 i ： 语言规则十分简单，易学易用： 直接针对a u t oc a d ，易于交互； 解释执行，立竿见影。 已有的程序资源丰富 2 0 1 ； 开发周期较快； v i s u a ll i s p 的缺点是： 解释执行，程序运行速度慢； v i s l l a ll i s p 用表来描述一切，并不能很好地反映现实世界过程，跟人的思 维方式不一致； 不能直接实现多图档操作； 天津大学硕士学位论文 第一章概论 不能自定义图形或非图形对象； 对话框设计能力较差； 不能直接访问硬件设备和进行二制文件的读写。 、，i s u a l u s p 适用的场合： 重复的作图过程 如果某些作图需要经常会重复发生、且需要数个a u t o c a d 作图操作才能完 成时，就可以考虑撰写一个a u t ol i s p 程序来处理这种问题； 需要复杂计算时 虽然a u t o c a d 目前己内含计算功能，可以直接在提示区执行一些基本的数 值运算，但这和使用者操作计算器一样，需要冗长的输入过程，且容易发生 失误而不知道。运用v i s u a ll i s p 程序来处理作图上的计算课题，不仅可以保 证计算结果的正确性，也可以纳入参数式作图的观念，将独特的作图需求和 作图流程，交由v i s u a ll i s p 程序来实现；既可以提高设计绘图的正确性， 又可减少劳动强度： 有规则可循的处理 程序化的作图过程的基本要求，就是要有一个可遵循的规则；只要能找出某些 作图流程共通的作图规则，就可以将其程序化、参数化，而达到设计自动化； 批处理 需要批量处理图形文件内某些图元时，也可以考虑使用a u t ol i s p 程序来辅 助执行。 总的来说，只要有专业设计的地方，就可以使用v i s u a ll i s p 。还可以就某一 行业设计出一群其常用的自动计算和画图的模块，组成其专业c a a d ( c o m p u t e r a i d e dd e s i g n & d r a f t i n g ) 套装软件，此类专业套装软件可以极大地提高效率，甚 至能够带来可观的经济收益。 1 擘接61 9 8 71 僦8 l 蝴l1 9 叫1 9 9 1i 叫1 9 叫1 鳓 1 9 9 51 9 9 61 9 9 71 9 9 蒜 il iliiii i i t o l l s p a d sd c la d s r xo l 赫c ta c t i v e xv b av u s a r x a u t o m a t i o n 图1 - 3c a d 二次开发工具的发展 天津大学硕士学位论文第一章概论 1 3 本文的研究内容及目的 本文是在既往相关设计和研究部门的理论探讨和天津大学对卧倒门这一坞 门型式多年来所进行的物理模型实验和突破性钻研成果基础上进行的。将已有的 理论资源和研究论证予以整合，提炼出卧倒门设计中所涉及的主要问题，以程序 开发语言进行记述，架构了一个很好的深层次探讨的数字模型，为实际的设计提 供技术支持和服务，同时也为以后的实验工作带来了的方便。 本文的研究内容，包括以下几个方面： 保证卧倒门在静力学条件下，各个坞室能满足起卧的条件； 在动力学条件下，确保卧倒门起卧的平稳性； 通过用户的输入，计算静止状态下各个部分的重心，浮心和转动惯量等； 将不同水位条件下的卧倒模拟数据以数据文件的形式予以保存； 对各个角度下卧倒门的现实状态，给予直观的图纸参照； 比根据输入参数，以数据的形式和图示的形式给出相应的起卧曲线； 基于多种情况下的统合考虑，使用户易于得出最为优化的门型。 以动态模拟的形式给用户以直观的演示。 通过对上述几点的问题的在三维条件下的实现，可以使得设计人员和实验人 员对卧倒门这一门型的认识更具可视性，能够较为快捷地切入正题；同时也为理 论研究者的继续深入研究提供了一个施展的平台。 天津大学硕士学位论文 第二章卧倒门的舱格设计原理 第二章卧倒门的舱格设计原理 卧倒门的舱格设计是卧倒门设计的主要内容。它从根本上影响着卧倒门的整 体起卧性能和起卧状态，并直接决定着坞门可靠性。对于门体静力状态下的重心 和浮心的计算可参照相关书籍，在此不再赘述。本着删繁就简的原则，只对程序 中所要应对的主要问题予以阐明。 2 1 卧倒门运动的一般规律【1 i 气控式卧倒门的起卧，不是直接用机械方式来实现的，而是用压缩空气来控 制，固定浮舱的作用是减小屋门在水中的重量，欲使坞门在平卧位置浮起，只需 要将压缩空气经通气管压入操作舱将其中的水排 出，使坞门内部的浮力增大，以使得起浮力矩大 于卧倒力矩，坞门便会浮起，称此为坞门的起浮 过程；反之，欲使直立位置的坞门卧倒，只需将 卧倒门内操作舱内空气排出，使得倾倒力矩大于 浮力矩，坞门即会在自重作用下卧倒，称此为卧 倒过程。坞门的起、卧过程可以用坞门倾角驴与 时间t 的关系曲线表示。图2 表示坞门任意位置 时的倾角p ，坐标x , y 随坞门一起转动，坞门直 立时伊- - 9 0 。，由此可以用p t 曲线表示坞门的起 卧过程。矿，曲线又叫做坞门的起卧过程线。 2 1 1 卧倒门卧倒过程的规律 飞， 图2 - 1 坞门起卧位置 坞门卧倒过程是坞门倾角从0 到9 0 的变化过程，综合若干双面板卧倒门的 实验资料，卧倒时矿t 曲线具有如图2 2 所示的形式，它代表坞门卧倒过程的 一般规律，分析该曲线可以看出： 坞门在水面上时，妒曲线平缓且很长，说明转动角速度小：坞门门顶 进入水面以下，曲线突然变陡，角速度很大，整个卧倒所需时间，水面 天津大学硕士学位论文第二章卧倒门的舱格设计原理 以上占绝大部分： 尹曲线可以分成图2 - 2 所示的5 段： a b 段卧倒初始阶段，该段曲线最长，近似于直线，因此可视为等角速 度段； b ci 磐一是坞门门顶靠海一侧入水至靠坞一侧入水前后的过渡段，曲率大， 为变角速度段，角速度由小变大； c d 段也可近似看成直线，是坞门入水后的等角速度段，在整个曲线中 该段最陡，为最大角速度段； d e 段为坞门进入门坑前后的过渡段，也是变角速度段，角速度由大变 小； e f 段是坞门进入门坑至坞门平卧状态前的时段，也可近似看成直线， 是等角速度段，通常说的卧倒末角速度( 或落底角速度、落墩角速度) 就是这段 曲线的角速度。 图2 - 2 坞门卧倒过程曲线 2 1 2 卧倒门起浮过程的规律 起浮过程是坞门倾角妒从9 0 0 到0 。的变化过程，其伊一f 曲线一般像图2 - 3 那 样，与卧倒曲线相似，整个曲线的水下部分陡，角速度大，水上部分平缓，角速 度小，该曲线同样分成5 段； a b 民坞门起浮的起始段，是坞门在门坑内的运动段； b c 段坞门出门坑前后的过渡段； c d 段坞门出门坑后、出水面前的等角速度段，起浮过程在此段达到最 大值； 天津大学硕士学位论文 第二章卧倒门的舱格设计原理 e f 段该段曲线最长，很平缓，也可近似看出直线，是坞门关闭前的等 角速度段，其角度值就是起浮末角速度( 关门角速度) 。 、 o 、- 9 2 2 固定浮舱容积的确定 图2 二3 坞门起浮过程曲线 l 、固定浮舱舱容积的合理确定是气控式卧倒门起卧工艺设计的关键问题。 水上安装坞门时，为确保门体的可沉性，固定浮舱的极限净容积可以按下式计算： = w y 2 - ) i y 仍 ( 2 1 ) 式中：固定浮舱内壁的空间体积减去舱内结构架钢材的体积，m 3 ； w 门体在空气中的总重量，n ； 水的容重，n m 3 ； 托门体结构钢的比重，n m 3 ； 当 = 1 0 2 5 k n m 3 ， = 7 8 5 k n m 3 时，= 0 8 7 w 为从理论上推导的结果， 即固定浮舱的净容舱容等于o 8 7 倍门重时，坞门的淹没于水中的重量正好和浮 力平衡。实际安装坞门时，需要一定的重量，否则坞门难以下沉和平稳。设计一 般采用： ：( o 7 l 0 8 ) w ( 2 2 ) 天津大学硕士学位论文 第二章卧倒门的舱格设计原理 2 、坞门结构中心位置、固定浮舱浮心位置及坞门平卧于门坑的稳定性要求 对固定浮舱舱容的影响； 按坞门可沉性计算后，并结合实际工程经验初步选定静舱容后，尚需进行如 下计算，确保平卧于水下的门体不被进出的船舶所掀动。 w o 一! 勺y 。- i s , 4 m = 旦- 一 ( 2 3 ) n 西 式中：儿坞门重心得纵坐标值( 对转轴中心) ，m ； k 坞门固定浮舱舱心的纵坐标值，m ； p 进出坞船舶对门的吸力，1 5 为安全系数，在没有实测资料时， 可按2 1 n m 2 估算； a 坞门面积( h l ) ，m 2 ； m 一坞门面积中心到转轴中心距离，m 。 表1 - 1 为已建成的6 个船坞的设计值嘲 项目固定浮舱容积( m 3 )门重( k n ) 名称 新港船厂坞门1 4 8 51 9 50 7 8 文冲船厂2 撑坞门 1 4 0 1 9 6 o 6 8 山海关l # 坞门1 3 01 9 50 8 0 马耳他3 0 万吨大坞坞门7 9 2 69 5 00 8 5 青岛海西湾1 # 门1 2 9 9 61 5 2 9 1o 8 5 青岛海西湾捌门8 0 4 49 8 0 7o 8 2 由表1 1 可以看出，对于门体较大的船坞，设计时，其相应的取值 应稍大，否则会造成门体水下的重量过大，影响坞门的卧倒过程。 2 3 操作舱容积的确定 操作舱容积的大小对坞门的起卧性能起重要作用，特别是对坞门从起浮到直 立关闭过程的动态有决定性的影响。操作舱的布置形式可归纳为两种：( i ) 操作 舱偏向海测布置，可以获得较大的偏心力矩。( 2 ) 操作舱位于固定浮舱的两侧或 中间，舱格布置简单，但偏心力矩小，要求的舱容比较大。一般情况操作舱的顶 标高不应高于船舶进出坞的最低水位，其舱容应满足在该水位时，舱内水体排空 天津大学硕士学位论文第二章卧倒门的舱格设计原理 后门体能自行关闭。舱容的确定如下： ( 1 ) 供给操作舱压缩空气，将舱内水体排出，使平卧于门坑的坞门开始起 浮的最小舱容为： w o 一考l ) y ，一i 么 ，砷 = 土- 一( 2 - 4 ) 乃。曲 式中：操作舱所需的最小容积，m ? ； 乙操作舱排空时的浮心到转轴中心距离，m ； ( 2 ) 坞门直立关闭的最小舱容： w ( 1 一考l - ) h 一么 x 砷 = 2 _ _ 一 ( 2 - 5 ) ，1 式中：操作舱所需的最小容积，m 3 ； x 。坞门关闭最低设计水位时坞门的重心位置，m ； 工固定浮舱的浮心位置，m ； k 操作舱排空时的浮心到转轴中心距离，m ； 操作舱排空后的浮心位置，m 。 设计一般采用： 吃= ( 1 5 2 o ) 图2 4 操作舱受力分析 ( 2 5 ) 在操作舱的设计中还需要考虑到坞门露出水面后潮汐舱内水位与海平面存 在一定高差，坞门即将关闭时坞内水位也会发生变化。另外需要考虑的因素还有 海生物的生长以及坞内可能门坑淤泥的吸附力。这就要求在实际中操作舱的容积 天津大学硕士学位论文第二章卧倒门的舱格设计原理 要比计算值大2 3 倍。 2 4 坞门内外水头差对坞门开启的影响 在潮差变化较大的地区，涨潮的速度比较快，其潮位升高( 或降低) 可达到1 7 x1 0 4m s 以上。虽然在落潮时开门最为有利，但当坞室采用短廊道输水时，坞 内和坞外总存在着微小的水头差，设计必须考虑此水头差对坞门的产生的阻力 矩，计算时一般可考虑2 c m - 5 c m 的水头差。固定浮舱的容积须满足下式： 矽( 1 一益h 一 丢三陆2 ( 啊砌) 一碍( 如砌) 】 形譬i 兰毕一瞬瓴+ 3 口) 一瑶( + 3 口) 】 扎y 2 x 曲b x 曲。 式中： 海测水位到门坎底板中心距离，m 。 岛坞内水位到门坎底板中心距离，m ； a 转轴高度，m ； i ，- 一坞门的宽度( 两侧板的中心距离) ，m 。 图2 - 5 卧倒门操作舱静力分析图 ( 2 6 ) ( 2 7 ) 天津大学硕士学位论文 第二章卧倒门的舱格设计原理 2 5 压载舱的确定 固体压载必须确保任何操作状况下的稳定性，固定压载是由固定最小吃水深 度和最小稳定性确定；固定压载水舱设计的一般准则是：在极限高水位时，即当 海测水位触及卧倒门顶部时，依然能够满足卧倒门的稳定性要求。 2 6 坞门上拔力的计算 上拔力是指卧倒门处于直立位置时，在空气操作舱未注水的情况下，卧倒门 所受浮力。考虑卧倒门门轴强度，上拔力不应太大。 在计算上拔力时应考虑卧倒门所处的最不利水位。 取卧倒门没顶水位计算： e 啦眈+ 吒) 一( - 号) g 式中：y 海水重度，n m 3 ； ，卧倒门钢材重度，n m 3 ； 以固定浮舱净容积，m 3 ； 圪空气操作舱净容积，所3 ； 当舱室不止一个时，应取累加。 当卧倒门为开口铰座时，上拔力应为负值。 2 7 舱格设计的其它一般原则7 】 ( 2 8 ) 舱格布置应对称于门体中截面； 上层设潮汐舱，中层设固定浮舱、操作舱和调节舱，底层设压载水舱。中层 的固定浮舱、操作舱和调节舱的顶面应低于进出坞设计水位； 坞外水位高于坞内水位3 5 c m 时，坞门能卧倒； 根据使用要求在较低水位时，坞门能关闭； 起卧时间一般控制在5 7 分钟。 天津大学硕士学位论文第二章卧倒门的舱格设计原理 2 8 小结 上述内容主要是针对卧倒门舱格设计的一般原理和必须满足的基本条件加 以说明，主要解决的是“卧倒门能否正常起卧? ”的问题，另外所考虑的是保证 在静止状态下的坞门稳定性。 本章主要论述卧倒门设计中所要考虑中“静”的要素，这些原则是卧倒门设 计是否合理的前提条件。 天津大学硕士学位论文第三章卧倒门的动力学设计补充 第三章卧倒门的动力学设计补充 在参考文献 9 】中，对卧倒门的起卧特性进行了初步研究。在此基础上本文进 行了进一步的探讨。卧倒门的卧倒与浮起是通过调控空气操作舱的进出气流量而 实现的。通过调节空气操作舱的进出气流量，从而改变空气操作舱内海水体积， 改变卧倒门所受到的浮力矩，达到了实现卧倒门自启自闭的目的。在卧倒门的运 转过程中，卧倒门由于自重偏心而产生的自重偏心力矩与固定浮舱、空气操作舱 产生的浮力矩是一对主要的矛盾。它们的大小是卧倒门能否实现正常起卧的主要 影响因素。与此同时，在海水中运动的卧倒门还受到一些其它因素的制约。故而 在卧倒门的设计过程中，不仅要对卧倒门的静力条件下进行分析，同时还要将动 力因素进行综合，以确实保证卧倒门启闭过程中的平稳性和安全性。 因在实际软件编制中，关于坐标系的转换己经很好地予以实现，所以在此不 需要再对这一问题进行叙述，在程序中同时可以针对多种情况下的作用条件进行 有效地判断，以观察实时的变化状态。在程序的编制过程中所需要注意的问题也 给予了说明。 3 1 卧倒门运动的一般方程 卧倒门连同门内水体在海水中的运动，可以看作是一刚体绕定轴在9 0 度范 围内的转动。根据理论力学的知识，刚体绕定轴转动的一般方程为： ，! 要：e m( 3 1 ) 讲一 式中：，转动物体的转动惯量，n m 2 ； 。 妒物体的转角； m 指作用在物体上合力矩n m 。 对于卧倒门来说，在转动过程中，无论是转动惯量，还是合力矩m 都是 变化的。在不同的转角伊，j 与m 的值也不相同，它们都是转角妒的函数。 卧倒门在水中转动，将带动周围的部分水体随它一起运动。这时就需要考 虑卧倒门带动周围水体产生的转动惯量。在计算中的解决办法是将转动惯量乘以 一附加转动惯量系数c ，得n i i i - 倒门在水中转动的微分方程： 天津大学硕士学位论文 第三章卧倒门的动力学设计补充 c j j 孥屯m ( 3 - 2 ) 由流体力学的知识可以知道，附加转动惯量系数g 与物体的运动状态无关， 只与物体形状有关，当物体形状固定时，q 可以看作一常数。根据规范，q 可 取值5 0 。 同时在水中运动的卧倒门还受到周围海水的阻力作用，在计算z m 时，必 须把海水产生的阻力矩考虑在内。 3 2 卧倒门转动惯量的计算 卧倒门的转动惯量由卧倒门钢材以及卧倒门压载水舱内水体、潮汐舱内水 体、空气操作舱内水体产生的。在卧倒门的转动过程中，卧倒门的钢材质量是固 定不变的。一般情况下，压载水舱也保持满水状态，所以卧倒门钢材以及固定水 舱内水体所产生的转动惯量也是固定不变的。在卧倒门的运转过程中，潮汐舱内 水体，空气操作舱内水体在卧倒门的不同运转阶段的产生的转动惯量是不一样 的。根据转动惯量的迭加性原理，可以把卧倒门的转动惯量分别进行计算，最后 再把各部分进行叠加。 3 2 1 卧倒门钢材及固定压载水舱的转动惯量 由转动惯量计算的定义，在计算卧倒门钢材的转动惯量时，假设组成卧倒门 门体的各块钢材绕其质心的转动惯量为工，根据转动惯量的移轴公式，卧倒门钢 材的总的转动惯量可表示为： 山= b + b ，2 + 舅2 ) ) ( 3 - 3 ) m n 为组成卧倒门的钢板总数，m ，为每一块钢板的质量。 在卧倒门的正常运作过程中，压载水舱内的水体质量也是固定不变的，压载 水舱内的水体产生的转动惯量( 以图5 为例) ： 以：去m 一面2 + 否2 ) + 吖一g 一2 + 2 ) 一熹m 。咕2 + 西2 ) 一m 。g 。2 + k 2 ) 式中：m 、m e w 分别为截面为a b c d 、e f c 的空间所包含水体的质量； p 压载水舱内水体密度，k g m 3 ； x a b c d 、y m c d 截面4 曰c d 所代表体的形心坐标； 天津大学硕士学位论文第三章卧倒门的动力学设计补充 z 聊、) ，肫截面e f c 所代表体的形心坐标。 需要指出的是，在公式( 3 - 4 ) 中，用卧倒门钢材重心代替了卧倒门钢材质心， 由于卧倒门尺寸相对于地球半径小的多，重心与质心可以看作是重合的，同时， 舱室形心与舱室内水体质心也可以看作的重合的。 y l y 水位线 k ，言 。， 6 。 o 图3 - 1 压载水舱剖面示意图 3 2 2 潮汐舱内水体转动惯量的计算 在卧倒门的入水前的运动过程中，潮汐舱内海水体积是不断变化的，与此相 应潮汐舱舱内海水所产生的转动惯量也不断发生变化。当海水完全淹没卧倒门 时，转动惯量变为一常量。 潮汐舱水体转动惯量的计算可根据实际水位就以下几种情况进行考虑，下面 主要针对坞门的卧倒过程说明： 当实际水位在潮汐舱以下或刚淹没潮汐舱，可以分为两种种情况 a 当如图( 3 - 2 ) 所示的c 点未转动至水面线时 此对卧倒门潮汐舱内水体体积为0 ，故而转动惯量相应为0 。 b 当c 点转动至水面线时 t - - i t 临界角口= a r c c t g 等 ( 3 5 ) 潮汐舱运动至临界角时，潮汐舱内水位截面开始变化，当继续变化时，舱内 水体会出现如b c e f 截面等状况，由于在实际程序编制中，不需要对所面临的众 天津大学硕士学位论文第三章卧倒门的动力学设计补充 多问题考虑，只需要将潮汐舱a b c d 截面所代表的体积，受水位平面e f 所切后， 所得即为水体，此处记为b e f c 知潮汐舱内部水体的转动惯量的计算公式，由转 动惯量的平行轴定理，可计为： j c w = j w + 小胱d ( 3 - 6 ) j 哪c 代表水体对于水体b e f c ，通过质心且平行于坐标轴z 的转动惯量，可 将之简记为j 。，而研肼p 代表水体b e f c 的质量。 故可以将( 3 6 ) 式写为： j e w = j 。l + e f c d ；唧 一 ( 3 7 ) 式中：- ，。潮汐舱内水体对z 轴的转动惯量； 托诲水的密度； t ， 7 b e f c 。压载水舱内水体的体积； d 。盹潮汐舱内水体质心至坐标z 轴的距离。 c 当a 点转动至水面线时 此时的h 应与a 点的垂直高度相等，由图可得下式： 皇 ：c o s 口 k + u t g o t 则有日= k s o s a + u s i n a = i 丽s i n 0 + ) 由此可得临界角口= a s i n 商一 其中= 馓吾 胁一t 南一嗷等 图3 2 潮汐舱内水体变化剖面示意图 ( 3 8 ) ( 3 9 ) ( 3 1 0 ) ( 3 1 1 ) 天津大学硕士学位论文第三章卧倒门的动力学设计补充 此时水体由b e f c 截面所代表水体变为由a b c d 截面所代表水体，转动惯 量的求解可参照公式( 3 7 ) 求得。 当实际水位h 值大于潮汐舱直立高度下界i ，但小于k 时： 针对这一状态，可参照情况中的b - 一) c 过程； 当实际水位h 等于潮汐舱直立高度上界k 时： 此时可参照情况中的c 过程。 对于坞门的起浮过程，除由于舱内的排气和进水这一动态过程所造成的一些 不同外，大体可以看作卧倒过程的逆向过程。 3 3 卧倒门运动过程中的力矩计算 在对卧倒门的舱格设计中，正确把握卧倒门运动状态，是十分重要的。在此， 卧倒门的力矩计算是不可缺少的一环，下面针对卧倒门力矩计算中涉及的问题进 行展开。 3 3 1 卧倒门主要力矩的计算 在计算卧倒门力矩的过程中，卧倒门主要受到自身重力和浮力的影响。 在计算中，须注意的主要问题是，卧倒门在水下的重量与坞门自重的差异。而浮 力矩的计算可参照相关水力学书籍。卧倒门的水下重量可按照下式计算7 】： ：矿( v - w o ) 乃k n ( 3 1 2 ) ，2 式中：阿0 卧倒门水下重量，n 。 w 一卧倒门自重，n ； w o 一固定浮舱内的构件重量，n ； 水的重力密度n m 3 ； 铜的重力密度n m 3 ； k 固定浮舱舱容m 3 ； 对于双面板卧倒门，一般卧倒门水下重量应是卧倒门原有重量的o 1 , - - 0 1 5 倍。 天津大学硕士学位论文第三章卧倒门的动力学设计补充 3 3 2 卧倒门运动阻力矩的计算 由于卧倒门结构沿航道中心线布置，且卧倒门运行时转速相对较低，所以可 把卧倒门转动的近似视为- - 1 日l j 体平动。卧倒门转动时受到的海水阻力可以当作物 体平动时的阻力来计算，在流体力学中阻力的一般形式为： ，：c d x 华 ( 3 1 3 ) 二 式中：c r d 阻力系数， 4 运动物体迎水面面积，m 3 ； 水体密度，堙m 3 ； a 物体平动速度，m s 。 对于卧倒门来说， a = e o r i ( 3 - 1 4 ) 式中：卧倒门转动的角速度，卅j ； r ，阻力的力臂，m 。 代入( 3 1 2 ) 式， 厂= 要c d 卢4 魄) z ( 3 1 5 ) 所以，阻力矩m 。可以表示为： m z = r f f 即，鸩= - c d , a , 2 r 3 ( 3 - 1 6 ) 当水流为紊流时，尚无法由理论求得阻力系数，阻力系数需要根据实验确定。 若门顶至转轴的距离为h ，则且，可以表示为： r = 七h 式中，k 为小于l 的系数。 则式( 3 1 5 ) 变为： m ：= c d 国2 h 3 ( 3 1 7 ) 令巳= 去后3 c 。，q 仍然具有阻力系数的概念- 所以，m ：= c 。2 h 3 ( 3 - 1 8 ) 根据阻力系数的一般规律，c 。应该与卧倒门外形有关，同时，又因卧倒门 在门槽内运行，c 。也应与门槽水下面积有关，。对于双面板卧倒门，一般都具有 天津大学硕士学位论文第三章卧倒门的动力学设计补充 图1 所示的外形，各个船坞卧倒门外形相差不大。在分析卧倒门在水中运动的阻 力系数时，可把卧倒门外形看成是变化不大的固定形状。理论和试验都证明，卧 倒门门坑越小阻力系数巳越大，设卧倒门的面板面积为a ，a = l r ，其中三、r 分别为门长和门高。门坑面积用厶表不- - a - 表示门坑的相对大小，a = 以时， 丢2 l 门坑最小，以无穷时，丢趋向于零，所以q 应于丢有关，根据几个船 坞双面板卧倒门的试验资料整理，c 。可用下面的经验公式确定， c a