（船舶与海洋结构物设计制造专业论文）船舶纵向下水总体及局部强度分析.pdf

摘要 船舶下水是在船舶一生中 船体结构受到的第一次考验 近些年来 由于新船型的 开发 新造船工艺的引入 加之船厂下水设备的老化 下水计算方法不合理的原因 船 舶下水时 船体结构 船台受损现象时有发生 因此 对下水进行合理的计算 有效的 预报就显得很重要 本文主要工作 就是结合实际下水实船 对纵向下水船体结构的总体及局部强度安 全分析作深入研究 首先 对船舶纵向下水的静水力计算方法和弹性计算方法进行了概述 并由此深入 探讨了在作局部强度分析时 用弹性支墩代替直接施加支墩反力的方法的合理性 以及 实际性 其次 结合5 6 1 8 t e u 集装箱船下水的总体及局部强度分析 建立弹性船体梁 以 及关键舱段有限元模型 运用直接加支墩反力和用弹性支墩支撑两种方法 进行关键舱 段的局部分析 得出结果 因为两种方法计算出的局部应力都不满足安全下水的要求 本文有对下水方案提出改进措施 重新计算得出结果 最后 分析比较两种算法的结果 得出结论 作船舶纵向下水局部分析时 用弹性 支墩代替直接加支撑力更合理 分析结果更接近准确值 具有实际工程意义 关键词 船舶纵向下永 总体与局部t 强度 弹性 有限元 a b s t r a c t t h el a u n c h i n go fas h i pi st h ef i r s tt r i b u l a t i o nt h a ti t h a v et oe x p e r i e n c ei ni t sl i f e t i m e w i t ht h ed e v e l o p m e n to fn e ws h i pt y p e i n t r o d u c eo fn e ws h i p b u i l d i n gt e c h n o l o g ya n dt h e a g i n go fs l i p w a y s t h ed a m a g e so fl a u n c h i n gs h i pa n ds l i p w a yo f t e nt a k ep l a c en o w a d a y s t h e r e f o r e av a l i da n df e a s i b l ec a l c u l a t i o no ft h es t r e n g t ht o f o r e c a s tt h el a u n c h i n gs h i p s s a f e t yi se s p e c i a l l yi nn e e d i nt h i sa r t i c l e as t r e n g t ha n a l y s i so fh u l l g i r d e ra n dl o c a l s t r u c t u r ei s p u ti n t od e e p d i s c u s s a c c o r d i n gt oa r e a ll a u n c h i n g s h i p f i 刚y t h eh y d r o s t a t i c a n de l a s t i cc a l c u l a t i o nm e t h o di nt h ee n dl a u n c h i n gs t r e n g t h a n a l y s i s i ss u m m a r i z e d i ti sv a l i da n df e a s i b l et o r e p l a c et h e r e a c t i v ef o r c eo fe l a s t i c f o u n d a t i o nw i t has e r i e so f s p r i n gf o u n d a t i o n i nl o c a ls a f e t ya n a l y s i s s e c o n d l y b a s e do nt h es t r e n g t ha n a l y s i so f5 6 1 8 t e u c o n t a i n e rl a u n c h i n g am o d e lo f s h i pc o n s i d e r e da sa l le l a s t i cb e a m o na ne l a s t i cf o u n d a t i o na n dak e yh o l da l eb u i l t w i t ht h e d i r e c tr e a c t i v ef o r c em e t h o da n ds p r i n gf o u n d a t i o nm e t h o d t h ek e yh o l dl o c a ls t r e n g t hi s a n a l y z e d a n dt w o r e s u l t sa l eg o t t e n b e c a u s en e i t h e rr e s u l t so ft h et w om e t h o d sc a nm e e tt h e n e e d so ft h el o c a ls a f e t y am o r ev a l i dl a u n c h i n gp r o j e c ta l es u g g e s t e d t h er e s u l to ft h en e w p r o j e c tp r o v e s t ob ef e a s i b l e a n dt h ec o n t a i n e rc a n b e g i n h e r v o y a g es a f e l y f i n a l l y a f t e rc o m p a r i n gt h er e s u l t so ft w om e t h o d s i tc a nb ec o n c l u d e dt h a ti t i sm o r e v a l i da n df e a s i b l et or e p l a c et h er e a c t i v ef o r e eo fe l a s t i cf o u n d a t i o nw i t has e r i e so fs p r i n g f o u n d a t i o n i nl o c a ls a f e t ya n a l y s i s a n dt h el a t t e rm e t h o dc a nh eu s e di ne n dl a u n c h i n g c a l c u l a t i o ni nt h ef u t u r e k e yw o r d s s h i p se n dl a u n c h i n g w h o l ea n dl o c a ls t r u c t u r e s t r e n g t h e l a s t i c i t y f i n i t e e l e m e n tm e t h o d 0前言 船舶下水是将船舶从建造区域移向水域的工艺过程 各大 中型船厂中 船舶建造 都使用在船坞中和船台上建造的工艺方法 船舶在船台上建造到一定阶段后即可下水 根据下水原理 船舶下水可分为重力式下水 飘浮式下水和牵引式三类 根据船舶入水 方向 下水又分横向下水 和纵向下水 除了小型船舶可能用吊车吊到水中 或采用横 向船排下水作业外 我国所有大 中型船均采用纵向下水工艺 0 1 本文的研究意义 随着现代造船业的发展 造船出现了新的特点 所造船舶的吨位越来越大 新船型 越来越多 新的造船模式也有很大变化 如 下水前 船内机电 舾装设备己装配到船 上 使船的重量明显增加 造船厂的自身条件 如 下水船舶吨位超过船台设计能力 有的船台使用多年 船台滑道不够平整 船台的承载能力下降等 这些都直接影响到船 舶的下水安全性 近年来船舶下水时船体 船台结构受损时有发生 船舶建造规范对于船舶服役状态的各种危险情况进行了评估和防范 但对于下水风 险没有任何规范 这使得在船舶建造前设计阶段 工程人员很少把下水安全性考虑进去 往往在船舶下水时 才注意到这个问题 在实际船舶下水工艺过程中 由于下水计算的复杂性和繁琐性 大部分船厂始终延 用 剐性船体下水静力学计算 来预测计算下水姿态和船台支持力 不涉及局部结构受 力及其船舶总体变形 这些使得船底反力超过底部结构的承受能力而产生永久变形 这 些变形给船舶以后出现事故留下隐患 这难以适应现代船舶建造对安全控制质量高标准 的要求 多次的船舶下水事故也引起了船厂和船东的高度重视 船舶下水是船舶一生中 船体结构受到的第一次考验 下水过程仅有一次 不可能 进行任何事先演练和模拟来验证下水作业的安全性 唯 办法是在船舶设计阶段 通过 科学计算预报下水时船体结构的受力情况 预先采取适当的工艺措施 保证下水安全 0 2 国内外关于下水的研究综述 由于国外大部分船厂建造大型船采用在船坞内建造 所以近些年来国外对船舶纵向 下水的研究并不多 但中国和一部分国外船厂如 马来西亚 新加坡等 仍采用在船台 造船 随着下水难度越来越大 中国的船舶工作者对下水作的研究也需越来越深入 为了确保船舶下水的安全 除了必须拥有丰富的实践经验和具备可靠的设备外 还 必须有周密的理论计算 随着造船业的不断发展 目前船舶下水经验日益丰富 装置设 备曰臻完善 相比之下 对船舶纵向下水计算方法的研究进展还是很慢的 在下水计算中 传统的计算方法是 根据船舶下水姿态和受力情况 把船的下水过 罄盟墼留l 銮薹芷墨尽蛰堡星2 堑 程分为四个阶段 把船看作一个刚性体用静水力计算 之后按阶段计算刚性滑道的支反 力 现在计算中仍采用静水力计算来分析船舶下水阶段的姿态和是否有仰倾和首落等现 象出现 但对于船底和滑道的作用力的研究已经突破了传统得到了发展 前苏联的b b 谢茵诺夫一张一山斯基 布勃诺夫 l7 j 等提出的一系列下水动力计算 经验公式 这些公式经过大量的下水实践 具有较高的精确性 至今很多的下水动力计 算就沿用他们的公式 n b 安德鲁斯及a m 尼克森发表了下水过程中估算水阻力系数的 平均统计公式 我国许多船厂十分重视下水实测工作 工作主要内容是测定船舶下水滑行距离和时 间 这为深入研究下水动力学提供了极为宝贵的实际资料 同时俄罗斯c b 索钦斯等给出的纵向下水总纵强度及局部强度校核经验公式 也有 很高的精确度 常被用作下水强度校核 英国p o r t s m o u t h 大学的沈维琴陋j 教授 提出了无首支架船舶下水新工艺 这种工 艺提出的理论是基于三个假设 用r i t z 法计算出滑道反力 变形曲线和船体梁的总纵 弯矩 并通过两条实船下水的测量结果验证了 如果用最优化的支墩 滑板布置船舶可 以不用首支架 而使船在尾浮时船首避免受到过大的支反力 这是下水工艺的一次飞跃 这三个假设是 1 在考虑船体梁的总纵弯矩时 只有纵向构件抵抗船舶的纵向力 空船船体梁的 中和轴是一条平行于型基线的直线 2 除了下水的第三阶段外 垂直于中和轴方向船体处于静平衡 3 墩木 滑板 滑道看作是一个弹性系统 在计算中 忽略船台 船底结构的刚 度 上海交通大学顾永宁教授 2 j 基于有限元提出了纵向下水弹性计算方法 这种方法 认为船体是一根弹性变形梁 船台一墩木支撑一船底系统构成船体弹性支撑 下水过程 中在各作用力的作用下 船体弯曲和支座弹性变形决定了船底和滑道的接触范围和支反 力分布 通过一个线性有限元模型计算一系列滑行位置时船体梁的受力平衡和变形协 调 可以得到每一个支墩反力 据此可以计算结构内力 作出下水全过程的强度分析 通过此方法可以找出下水全过程支墩反力峰值大小及位置 可以迸行下一阶段的局部强 度分析 弹性船体梁计算法在实际下水计算中得到了应用 很多船舶工作者对弹性下水计算 方法提出了补充和改善 例如 构造下水预测模型 考虑船舶下水的弹性计算 考虑下 水过程中的水动力 考虑下水过程的横漂 大连理工大学马骏等学者 运用有限元法结合实船总体强度计算结果 构造船底的 三维模型 进一步计算该船底局部强度 这种分析方法使得下水计算更局部化 更贴近 实际工况 二十世纪九十年代初期 在上海进行的两艘实船下水试验 试验提供了支墩处船体 受到的反力及其随滑程的变化数据 并令满意的证明了弹性船体一弹性支座的下水计算 方法的准确性 另外连 滓 沪等地的造船厂家在大型船舶分段下水 军舰下水等方面作了很多研 究工作 同时 科技产品及计算机技术在工程研究方面的应用 也为研究和工艺制作提 供了极大方便 2 塑1 2 罄 2f 銮兰堡警盆登塑蓬坌2 从上面可以看出 近些年来 船舶下水计算在动力方法计算方面发展甚微 但在静 力分析上取得了很快的发展 而且静力分析还有很大的发展空间 由于中l 虽大部分船厂的自身条件 大型船舶仍采用在船台建造 所以对船舶下水的 研究仍有很大实际意义 本文就是基于国内外对于船舶纵向下水安全性计算方法的研 究 作深入探讨 0 3 各章的主要内容 第一章对船舶的纵向下水的布置及其各阶段作了阐述 并介绍了下水过程各阶段的 姿态 受力情况以及可能会出现的危险情况 最后通过下水曲线来分析船舶在下水过程 中的姿态 第二章介绍船体总纵强度的计算校核 以及船体结构局部结构的计算计算校核 基 于这些计算进行船舶下水强度分析 第三章系统深入探讨弹性下水计算方法 这种方法把下水船舶的强度分析分成两 布 总体分析和局部分析 概括说是把船体看作一根弹性变形梁 船台一墩木支撑一船 底系统构成船体弹性支撑 下水过程中在各作用力的作用下 船体弯曲和支座弹性变形 决定了船底和滑道的接触范围和支反力分布 通过一个线性有限元模型计算一系列滑行 位置时船体梁的受力平衡和变形协调 可以得到每一个支墩反力 算出船体结构内力 最后得出船体的总纵弯矩 和弯曲应力大小 及应力分布 之后通过前一步计算找出受 支反力最大的舱段 作局部分析 最后作出安全性预报 第四章基于前一章所讲述的弹性下水计算方法理论 提出了下水船体局部强度新的 计算方法 即 在局部分析中用弹性支墩代替直接加支墩反力 第五章结合一条下水集装箱船 用弹性下水计算方法进行总体强度和局部强度分 析 局部分析用两种计算方法 对两种计算方法的结果进行比较 给出结论 第六章对实船下水工艺改善及底部纵骨进行加强后在作局部强度计算分析 得出结 果 给出结论 第七章总结与展望 总结本文的工作 对以后的下水计算进行展望 第一章纵向下水的布置与静水力计算 重力式纵向下水滑道是船台和滑道合一的下水设施 为了获得较大的浮力 纵向下 水通常是使较肥大的尾部先入水 这种下水方法适用于不同的下水重量和船型的船舶下 水 并具有下水工艺设备简单 建造费用少和维护管理方便等优点 但是 它的下水工 艺比较复杂 尾浮时会产生很大的首端压力 并且存在船舶在水中的滑程较长 要求水 域宽度不小于三倍船长等缺点 船舶纵向下水过程是个很复杂的动力过程 要考虑到有关船舶的浮性 稳性 阻力 摇摆以及船舶强度等一些问题 这就要牵涉到船舶静力学与动力学 但实践证明 应用 船舶静力学观点处理下水问题 能够比较准确的预测下水状态 且计算比较简单 本章 着重讨论下水静力学t l j 1 1 纵向下水布置概述 船舶纵向下水在船台上进行 船台上安装两条滑道 以1 2 2 1 2 0 的斜率向下水方 向倾斜 船舶通过地步支墩和滑板坐于滑道上 在滑板与滑道之间 添以油脂和滚珠 船体由自身的重力作用 沿滑道下滑入水 典型的下水布置如图1 1 图卜2 l p p 一 1 l l 图1 2 横视图 当船体端面线性较为瘦削时 需要采用下水横粱将船体支撑到滑道上 如图1 3 4 尘些坚坠娑望彗些垒 竺 竺 图1 3 a 三点支持 b 一点支持 上两图中标有影响下水过程的重要几何与工艺参数 l s w 首支点到滑道末端的距离 可用作滑道总长 a 滑道斜率 h t 滑道末端浸水深 潮位高度 h 滑板及支墩高度 支墩设置的肋位 首支墩前船体悬伸段长和尾支墩后船体悬伸段长 滑道下水设施 1 下水墩木 船舶下水前 应将船舶从建造墩木移到下水墩木上 并对建造墩木 处的船底补涂油漆 2 滑道 滑倒是支撑滑板 下水支架和船舶等的重量的基础 也是船舶下水的轨 道 决定纵向涂油滑道的主要参数有滑道坡度 中心距 长度 末端水深 和 滑道荷重分布等 3 滑板 滑板是船舶下水时承载船舶和下水支架的下水装置 基本上它是由松方 木用螺栓连接而成 4 下水油脂 下水油脂静摩擦系数是决定船舶能否自行下滑的重要条件 5 下水支架 下水支架是支撑下水船舶 并保持船舶平稳下滑的重要设施 6 止滑器 止滑器是对下水进行有效控制 保证下水操作安全必要措施 1 2 纵向下水船体姿态的静水力分析 1 2 1 下水阶段 本节介绍的是以刚性船体对船舶姿态的分析方法 这种方法根据下水过程中作用力 的变化以及可能发生的危险情况 把船舶纵向下水分为四阶段分析研究 第一阶段 自船开始下滑到船尾接触水面为止 如图卜4 作用在船上的有重力和 船台支墩反力 他们在这一阶段内实际保持不变 漠 望些鲨型垡筌婆望鎏 一一一 图1 4 下水第一阶段 第二阶段 船体尾部接触水面到船尾开始上浮为止 如图卜5 所示 船受到重力 船台反力和水压力的作用 这个水压力在垂直方向构成浮力 随着浮力的增长 船台支 墩反力在不断改变着的下水装置接触面之间重新分配 并且总量不断减小 图1 5 下水第二阶段 第三阶段 船尾上浮的整个阶段 如图卜6 所示 船受到重力 浮力和分布在船首 部接触面上的船台支墩反力 这一阶段后期有可能出现两种情况 1 首支架经过滑道 之前 船舶已经完全浮起 顺利地漂在水中 2 在首支架离开滑道末端的瞬间 船舶 浮力仍小于下水中重量 因此就会出现船首猛然跌落现象 叫做首落 图1 6 下水第三阶段 第四阶段 从船位上浮结束到船舶停止运动为止 如图卜7 所示 船受到重力 浮 6 图 一7 下水第四阶段 卿纺侧 曼i 4 卜5 l 一6 卜7 中 为坡度 形为下水重量 g 点为重心 f 为摩擦力 w v 为浮力 一 诠艟些哩0 1 1 璧冀烹芝罂连塞鬯坚零 第一阶段应避免因下滑力不够而不能起滑或中 薰停耍 蓑主氅璧璧芒叁竺嬖翌象堡生 以及过大的支反另 j 甚葑拓器茹高藉着逞嚣主 坏 第三阶段应注意是否有首落 第四阶段应计算全浮后嘉酶孬篷磊磊晷蓦 8 暇 1 2 2 下水曲线分析 丕静耋了i 篓冀蓑罂鎏慧 弩呈笺萱絮变曲线 如图1 8 据此可以判断一些不利现象是 雾砻急及其危险位置等 横坐标代表行甑即船在滑蓬磊磊篱 霾藻箍薹 及力矩等 一一 2 州里里 下水曲线图包括下列曲线 1 下水重量 2 浮力 图1 8 下水曲线图 耽 常数 水平直线 w v 1 工 曲线 1 1 1 2 筮筮墨皇i 銮兰簦盔盆蛰翟重2 堑 3 下水重量对于滑道末端的力矩m w c x s 2 z 倾斜直线 卜3 4 浮力对滑道末端的力矩m v s x 曲线 卜4 5 水重量对下水架前支点的力矩m w c x l 常数 水平直线 卜5 6 浮力w v 对于下水支架前支点的力矩m w v k k 4 石 曲线 卜6 下水静力计算的过程 1 根据重量和重心计算的基本原理 尽可能正确的计算下水重量及重心位置 2 绘制如图卜l 所示的下水布置简图 并注明有关尺寸 3 计算算船舶滑行的某一距离x 时艏吃水 4 邦戎曲线上画出相当于不同滑程x 时的水线 然后用数值积分法计算每一水线 下浮心纵向位置 据此分别求出浮力对前支点 滑道末端的力矩 之后可求出下水重量 及重心 5 绘制水曲线图 6 船尾上浮以后的浮力 7 用稳性原理估计船在入水后的稳态及稳性 在下水曲线图上 如图1 8 下水重量矿与浮力w v 曲线之间差即为船在不同行程 时滑道的反力r m w 直线与肘 曲线的交点 图中a 点 表示船尾开始上浮 与之相 应的x 1 表示船尾开始上浮时的行程数值 根据图中的肘 曲线和m w 曲线 可以判断船 舶在下水过程中是否发生未落现象 若们 曲线位于m w 曲线之上 则表示在整个下水 过程中 肘 总是大于m w 因而不会发生尾落现象 图i 8 中的w v m m 诸 曲线 在尾浮以后的那部分已没有实际意义 因为尾浮以后 船舶不再平行于滑道的方 向运动 所以这一部分已没有实际意义 当下水进入第三阶段后 其浮力随行程的变化 规律如图中的b 点以后的曲线表示 设行程x 2 表示下水前支点已经离开滑道末端 若 此时浮力小于下水重量 则将发生首落现象 其差数d 即为首落质量 1 3 静水力分析中滑道压力的计算 这种算法的下水是滑道压力的计算 即把船体看成刚体 滑道看成刚性基础 船重 量集中于重心 利用作用力有反作用力 及力矩 按照下水的四个阶段计算船体的特定 位置处力于反力的值 而且计算中都是假设压力分布为直线 这种概念的方法只是计算 下水姿态 不能计算船体反力和船体内力 与实际的情况有很大出入 因而不能确切预 报船体下水的安全性 这里就不作叙述 第二章传统的纵向下水船舶强度计算及校核 在船体总纵强度计算中 通常将船体理想为一变断面的空心薄壁梁 简称船体梁 并从整体上进行研究 船体梁在外力作用下沿其纵向铅垂面内所发生的弯曲 叫总纵弯 曲 船体抵抗总纵弯曲的能力 成为总纵强度 船舶在下水过程中 求船体梁横剖面上的剪力和弯曲力矩以及相应的应力 并将 它与许用应力相比较以判断船体强度 这就是船体总纵强度计算的传统方法 本章所讨 论的是传统方法的一部分 船体在外力作用下除发生总纵弯曲变形外 各局部结构 如船底 甲板 传侧和 舱壁板架以及横向肋骨框架也会因局部载荷作用而发生变形 失稳或破坏 研究它们的 强度问题称为局部强度 下水强度分析也包括对船体的总体和局部分析 所以用传统的对船体强度分析方 法 来研究下水也是可行的 下水强度计算主要是计算下水船舶的总纵强度 尾浮前机舱滑出滑道后货舱底部 的局部强度 尾浮时船首的局部强度 本章要讨论下水过程中 传统方法的强度计算 以及总纵强度 局部强度的校核 2 1 下水船体总纵弯曲的外力计算 2 1 1 下水船体粱的受力 船体在下水过程中 作用在船体结构上的外力是相当复杂的 实践证明 重力 浮力和支墩反力是引起船体梁总纵弯曲的主要外力 如图2 1 所示 下水船的重力 浮力 支墩反力在垂直于船体方向合力为零 即 全船在垂直于船体方向处于静力平衡状态 对于沿船长方向的任意一区段来说 他们是 不平衡的 假定重力沿船长方向为w 曲 浮力沿船长方向为b x 支墩反力沿船长方向 为r x 则它们的差值就是引起船体梁总纵弯曲的载荷q x 即 碍 x w x c o s a r j 一b x c o s 口 2 一1 因为口值很小 c o s 口约等于1 式 2 一1 可简化为 g z w x 一r x 一6 x 2 2 利用梁理论 作用在船体梁横剖面上的剪力和弯矩是 一 l 舭 2 3 m z 2 j n x d x 2 j j oq x d x d x r jr r j 符号是这样规定的 载荷以向下为正 上为正 弯矩使船体梁发生中部向上拱起 负 2 4 剪力以作用在左剖面上向下为正 右剖面向 首尾两端向下垂的弯曲 中拱 为正 反之为 由式 2 2 式 2 4 可看出要求出下水船体横剖面上的弯矩就必须确定船体重量 下水过程中的浮力 以及支墩反力 由下水资料可以计算出下水船的重量分布 浮力分布 所以求支墩反力是计算船体 弯矩乃至进行强度分析的关键 2 1 2 支墩反力和船舶弯曲要素的确定 支墩反力值不仅需要用来计算船体结构的局部强度 而且也需要用来确定船从建造 墩木转移到下水装置上后涂脂层的压力强度 可以用等强度弹性基础上无限长等直梁公式来近似的估算支墩反力 由下水滑道长 度范围内 第一阶段 或从滑道末端到前支架装置范围内 第二阶段 的分布重力引起 的那部分反力 可按2 5 不均匀分布裕量取为1 2 5 耳 这里耳 分布载荷平均值 另一部分反力是由下水装置两端弯矩和剪力作用引起的 反力表达式如下 巾h 西岛 篆卜叫驰即s i n q 卜 筹 h s nc o s a 2 x m n c o s c z 2 1 x s i n a 2 1 x s 式中 s m 悬伸在滑道的尾部重力和重力矩 第一阶段 或滑道末端外重力 与浮力差和力矩 在第二阶段 k n 和k n m s m h 滑道外首部重力和重力矩 第一阶段 k n 和k n 1 1 1 j j 滑道首尾端部处船体横剖面惯性矩 在第二阶段中 j 相当于位 于滑道末端处船体剖面惯性矩 m 4 e 船体材料弹性模数 m p a k 弹性基础平均刚度 m p a q 跞 2 6 反力r 与载荷p c 尸的单位为k n m 下水装置反力更精确的计算可以用计算机进行 对于滑道末端的一系列位置进行计 算 对于每个计算方案的浮力预先利用邦戎曲线算好 2 2 下水船体总纵强度计算及校核 2 2 1 船体总纵强度计算 前面已经指出 在研究船体总纵强度时 把船体视为一条变断面的空心薄壁粱 因 此 应用简单的梁理论 总纵弯曲应力为 1 0 j 丝z 2 7 式中m 计算剖面的总纵弯矩 中拱时为正 j 计算剖面对水平中和轴的惯性矩 z 所求应力点之水平中和轴的垂直距离 向上为正 在船体强度计算中通常把式 2 7 化为下列形式 j 竺 2 8 w 式中w z z f 称为船体剖面模数 它是表征船体结构抵抗弯曲变形能力的一种几何 特性 也是衡量船体总纵强度的一个重要标志 在一般建造规范中都规定了该剖面模数 的基本要求 以作为衡量船船体总纵强度的标准 但是 如果考虑到船体梁的稳定性 将下水船体的所有纵向构件都看成完全有效地 参加抵抗总纵弯矩 有时会不能如实地反映船体梁构件的工作效能 因而也就不能确切 地评价船底强度 许多船的测试结果说明了这一点 图2 一l 就是 p h i l l i ds c h u y l e r 号在中拱状态下 实船应力的测量结果 3 2 j k 衄灿 r n j 旷 图2 1 船底板受压失稳时的船体总纵弯曲应力分布 由此可见 在船底板内由于板受总纵弯曲压力而失稳 应力分布不是均匀的 且纵 桁间板的应力比邻近的纵桁的应力低的多 所以对下水船体结构的要求 既要保证必要 的强度 又要保证必要得稳性 由于篇幅原因 船体构件的稳定性在这里不作介绍 2 2 2 船体总纵强度校核 纵向下水时 校核最大中垂和最大中拱工况的总纵强度 中拱工况对受滑道水下部 分反力作用而使船底构件受力最为严重的那些船体剖面特别重要 下水滑道支墩反力和船体弯矩用计算机计算较为方便 中拱弯矩的分布可近似地按 下式确定 式中m x s x m a m 刈鼍 q 的值与式 2 7 和式 2 8 中相同 2 9 而系数a 和b 按表1 根据无因 次坐标日 x 确定 表l 口 zab口 xa丑 o1 0 0 00 0 0 01 00 5 0 80 3 1 0 0 20 9 6 50 1 6 21 20 3 9 00 2 8 0 o 40 8 7 80 2 8 1j 40 2 8 50 2 4 3 0 60 7 6 30 3 1 01 60 1 9 60 2 0 2 0 80 6 3 50 3 2 22 6 0 0 6 70 t 2 3 在下水的第三阶段船体绕下水铰链转动时的中垂弯矩和剪力通过对船体载荷的数 值积分计算 这个载荷等于船体重力和入水部分浮力之差 第三阶段船体最大的中垂弯矩可以近似的按下式确定 埘一 现曙 一兰 一 琊 s 一圭 i 2 圳 式中d 下水船重力5 l 船垂线间长 n 首垂线与前支架压力合力作用点之间的距离 卜一从首垂线直船重心的距离 r 起浮时刻前支架压力 如果式 2 一1 0 所得的弯矩对应的上甲板压缩应力小于屈服强度矿的一半 便可中止 近似计算了 下水是等值粱最外层构件总纵弯曲的法向应力的容许值是0 8 扩 甲板板架的稳定性应保证不小于1 5 倍安全储各 2 3 下水船体局部强度计算及校核 从下水船在下水过程中受力的大小变化 找出船底受力最大的阶段和位置 计算并 校核局部强度 2 3 1 下水船体局部强度计算 在进行局部强度计算时 首先 应根据结构受力与变形特点 把实际复杂的结构抽 象为可以用力学方法计算的简化模型 称为力学模型或计算模型 然后 对这个力学 模型进行内力和应力分析并进行强度校核 2 3 1 1 船底外板的强度计算 受均布水压力作用的船底板 一般可作为四周刚性固定的刚性板来计算 对于横骨架式板格如图2 2 a 若c l s 2 则长边中点 2 点 的最大应力 沿 船长方向 可按下式计算 1 2 o s q f 1 2 懒2 2 1 1 y 船底纵桁 r 严幽纥陋毖锄 y 船底纵桁 一 矗1 2 板 船底纵桁 实 肋 扳 z 板中点 1 点 沿船长方向的应力为 i l r l纵骨 卿 z s 料 n m n 2 1 2 式中曰 水压力 n m m 2 s 肋骨间距 n l m m 2 f 板厚 l q n 纵骨架式板格如图2 2 b 若c l s 1 5 2 时 可按下式计算 短边中点沿船长方向的应力 m s 口 爿2 n r a m 2 板中点沿船长方向的应力 r 卿们s 埘 n i m m 2 长边中点沿船宽方向的应力 2 一1 3 2 一1 4 t o 嘞阱 j v 一 2 1 1 5 式中b 船底纵骨间距 m m 船底板的许用应力 在板中点处可取 j o 8 4 在骨架处 别 o 9 8 4 为材料屈 服极限 2 3 1 2 船底纵骨弯矩应力计算 船底纵骨由肋板支持 由于纵骨在结构上以及所承受的载荷对称于肋板 可以把纵 骨当作两端固定在肋板上的单跨梁计算 其支座剖面和跨中的弯矩按下式计算 支座弯矩 m 0 雩 跨中弯矩 m o 皇等 n m m 2 n m m 2 式中 纵骨跨距 b 纵骨间距 q 载荷强度 分别取中拱中垂时的水压力和支墩反力 纵骨弯矩应力为 毋 丝 棚z 1 w 7 式中w 纵骨自由翼板或带板的剖面模数 伽3 2 3 1 3 船底板计算 船底一般都是由多根交叉构件和很多主向梁组成的板架 对于横骨架式板架 主向 粱 实肋板 承受肋板间距的范围内的荷重 交叉构件只承受节点反力 对于纵骨架式 板架 载荷通过纵骨传给肋板 交叉构件也只承受节点反力 如图2 3 所示 实肋板 扳 构件 禹口飘h e a l 主向梁 口 上 土 i 山交叉构件 1 4 图2 3 船底板架 n 横骨架式船底板架 6 纵骨架式船底板架 多根交叉构件板架的计算可采用船舶结构力学中介绍的近似方法 主向节点挠 度选择法 若构件不等间距 不等截面或某些构件加强 手算比较困难 往往作些近似 简化处理 如采用有限元法计算则不存在任何困难 船底板架由于结构强大 又比强力甲板靠近船体剖面中和轴线 因此在船体中拱变 形时船底板架不易失稳 其主要矛盾是强度问题 对于舱长很短的船底构架 例如 舱长f 与板架计算宽度b 之比小于0 8 时 为确 定这种板架中桁材的弯曲应力 可将中桁材当作单跨梁处理 现分析如下 如果把船底板架当作组合板 且认为是各向同性的 则板架中桁材与平板的中央板 条梁相当 在表2 中列出了不同边长比值时各向同性板的弯矩与板条梁弯矩的比值 表2 边界固定情况构件名称剖面位置 t f8 o 81 01 2 在舱壁为刚性固定 舷侧处中桁材舱壁处 0 9 4o 8 4o 7 2 为自由支持跨度中点 0 9 10 8 00 6 7 从表列数值可知 边长比z i b 越小 弯矩比值越大 亦即将中桁材当作单跨梁处 理引起误差越小 而且是偏于安全方面的误差 因此 在初步校核船体强度时 对边长 比小于0 8 的板架可以采用单跨梁的计算公式 即 支座剖面处弯矩 跨长中点处弯矩 m o 扣 m 面1 q f 对于边长比等于或大于o 8 的板架 可按下述的近似公式计算 中桁材的弯矩 在支座剖面处 在跨长中点处 中央肋板在中桁材处弯矩 上述公式中 q 作用在中桁材上的载荷 q l 作用在肋板上的载荷 q 板架的载荷强度 c 纵桁间距 m o h 西1q m 夏1 q f m 坞扣 2 1 6 2 一1 7 2 1 8 2 1 9 2 2 0 l 纵桁跨度 肋板间距 b 肋板跨度 h 以 如 系数 由板架长宽比l i b 及中桁材与旁桁材的惯性矩比j i i 决定 见表3 表3 构件名称剖面位置 t ib0 81 o1 21 4 1 1 2 1 01 21 o1 21 0 l 21 o1 2 中桁材在舱壁处 托 0 8 40 9 20 7 30 8 3o 6 00 6 9o 5 10 5 8 在跨度中 托 0 8 1o 9 10 6 80 8 00 5 5o 6 3 0 4 7o 5 5 肋板在中桁材处 扎 o 1 6 o 0 8o 2 70 1 70 4 00 3 10 4 9o 4 2 2 3 2 下水船体局部强度校核 对纵向下水船 校核在第二阶段通过滑道末端的船底板架 纵向和横向舱壁的强度 同样还应该校核首部结构在前支架压力作用下的强度 设下水主要部分的长度为t 则尾端横舱壁处于距下水装置主要部分末端0 2 厶和 距船体起浮瞬间越过滑道末端出0 2 t 之间的所有船底板架应作强度校核 在第二阶段 对船在滑道上的各个位置 在假定下水装置主要部分反力按线性规律 分布时 其滑道末端处的单位反力r 按下式确定 4 6 皇 当皇 一1 flz3 三三当皇 三 2 2 1 3bz3 式中p 重力和浮力之合力 b 合力作用点到滑道末端距离 卜一处在滑道上的下水装置主要部分长度 1 6 一 一 第三章弹性计算方法和结构强度安全性 第一章讲述的是静水力下水分析和滑道压力的计算方法 这种方法认为船体是一根 刚性梁 船台是刚性基础 基于这种概念的计算 仅能够计算下水姿态 不能计算船底 板反力和船体内力 因而不能确切预报船体下水的安全性 船舶纵向下水时 船舶在倾斜的滑道上滑入水中 起初船舶底部全部有墩木支撑 滑行后变成部分支墩脱离改由浮力支撑 之后尾部起浮 支反力向艏部集中 最后全船 起浮 在这个过程中 船舶底部的局部支墩支反力和船体总弯矩经历着复杂的变化 特 别是底部的支墩反力是不停变化的 并可能在某些位置达到峰值导致船底结构损坏 由于船舶吨位和下水重量的提高以致滑道长度和潮位高度显得不够 高速船 如集 装箱船 的特别消瘦以致尾部不能及时提供足够浮力 特种船舶下水时结构尚未完备 船台滑道不够平整等等原因 船舶下水结构受损和损坏现象时有发生 在强度分析中可以用结构有限元软件作全船模型 这样下水船体的总体强度和局部 强度可以同时算出 步骤比较简单 但是 这种方法由于工作量大 在实践中证明是不 可行的 本章讲述的是弹性下水方法 认为船体是一根弹性变形梁 船台一墩木支撑一船底 系统构成船体弹性支撑 下水过程中在各作用力的作用下 船体弯曲和支座弹性变形决 定了船底和滑道的接触范围和支反力分布 通过一个线性有限元模型计算 系列滑行位 置时船体梁的受力平衡和变形协调 可以得到每一个支墩反力 船底总纵弯矩和弯矩剪 力 进行总体校核 同时也能找出关键舱段 受支反力最大的舱段 对其进行局部校 核 作出下水全过程的安全性预报 3 1 总体强度分析 总体强度分析主要是分析下水过程的弯矩 应力变化 找出最大的弯矩及应力值 和关键舱段 求最大应力及弯矩 就必须得知道船体上各个受力因素 船体重量 所受 浮力可以求出 但求支墩反力却很困难 所以分析下水船强度关键在于如何能准确求出 支墩反力 本节介绍弹性船体粱一支墩法 求支墩反力从而对下水强度进行分析 下面 就是此方法的实现过程 1 纵向下水布置和过程 此项在前面刚体船体静力分析中已阐述了 这里不作叙述 2 船体的受力平衡和变形协调 船体下方的支墩一般沿船长方向连续布置 有的是按肋位间隔布置 首 尾端各有 一定长度的船体没有支敦支持 形成悬伸段 船舶下水作业时 船体的重量分布在全部支墩上 随着船体向下滑行 船尾滑出滑 道范围 在滑道末端以外的支墩脱落 不再支持船体 随着滑程增大 船体后部浮力增 大到一定程度 船尾抬升 由于船体变形 部分船底支墩即使仍在滑道范围内 也与船 体脱离 船体重量由浮力和位于船首部的部分支墩平衡 船底反力逐渐向船酋集中 当 鳘i 2 警皇l 奎望生垄盆磬誉塞釜堑 船体滑到一定距离 船底支反力集中到船首处 直到船体全部浮起 由于船体滑行加速度和惯性力沿船体纵向作用 对于垂向变形没有影响而不必计算 在内 在垂向 整个船体在重力 浮力和支墩反力的作用下平衡 即船体垂向力之和为 零 各垂向力分量对首支点 或任一点 的力矩和为零 这里重力 浮力和支墩反力都 是沿船长变化分布 图3 1 是船体梁受力简图 因为滑道坡度值很小 这里不作考虑 w j 包 0 3 1 工 6 j 十 x o i 此处 i 为肋位号 b 是浮力 r 是支反力 重力w 3 2 船体粱 墩反力f浮力缸 图3 一l 船体粱受力简图 其中 船体分布重量根据下水时的船体建造与设备安装的实际情况决定 并按肋位 给出肋位一重量表 在整个下水过程中保持不变 船体浮力分布根据船体滑行位置当时 的吃水和邦戎曲线数据表计算得到 而船底支墩反力的大小和分布 却是未知 所以以 下过程就是为了确定支墩反力的值 在任意一个确定位置处 支墩接触状态的计算必须考虑到船体的变形协调条件 船体首吃水由船首在滑道上的位置和潮位高度唯一确定 尾吃水一定时 即可根据 首 尾吃水计算出浮力沿船长的分布 在重力 浮力和支撑反力的作用下 船体发生弯 曲变形 由于支墩与滑板将在压力下发生压缩变形以及支墩着力处的船底局部结构会发生 凹入变形 因此船底的支持系统是相当于一组弹性支持 下水船体可以认为是弹性基础 上的一根变段面粱 在重力 浮力和支敦反力共同作用下变形 支墩的反力分布与支墩 与船体的接触状态有关 支敦的接触状态与船体浮态 船体变形及弹性支座变形有关 面变形又与浮力及支墩反力分布有关 下水船在任一滑程处对应一个唯一确定的尾吃水 此时 重力 浮力和支反力达到 精确平衡 在它们作用下 船体变形 支墩变形所决定的支墩接触数目和支墩力的大小 正好与平衡状态协调 该平衡状态和相应的尾吃水必须由一个非线性的迭代计算过程得 竺 尘笙些垦些鍪笙篓塾竺 竺 一 到 3 下水船体梁计算模型 可以相当准确地用一根变断面连续梁代表垂向弯曲的下水船体 并方便地用有限元 法计算船体的变形和内力 为此将每个肋位定为一个计算节点 沿船长将船体分成一系 列粱单元 将按肋位计算得到的重力和浮力加到节点上 按照下水工艺设计决定的支墩 位置 在有支墩肋位节点上加上支持弹簧 形成下水船体梁有限元计算模型 布置简图 如图3 2 受力分布图如图3 3 图3 2 布置简图 m lm ll 几 0 j 3 1 图3 3 船体梁受力分布图 下水船体梁的弯曲微分方程为 3j e 1 x w 工 k 工 y x p x 3 3 式中 y 船体挠度 p x 下水船体重力与浮力合力分布 j x 船体剖面垂向惯性距 k x 支墩 弹性基础 刚度系数 方程 3 3 的具体求解 可按离散化的有限元模型进行 也可用结构分析软件a n s y s 来模型化 在这个计算模型中 每一个梁单元的剖面特性为其剖面垂直弯曲惯性矩i 和垂直有 效剪力面积a y 可以沿船长计算5 到7 个剖面的数据 加上船首尾端特性值取0 作成 插值曲线 提供全船各肋位处的剖面的特性数据 1 9 船体支墩作为支座弹簧 设在支墩肋位的节点上 弹簧的刚度系数根据滑板 墩木 和船底局部刚度计算得到 因为船体梁没有宽度 而对应两条滑道支墩 所以船体支墩 合并成一个单独的弹簧 其刚度为两个支墩刚度和 按照有限元计算的标准流程 计算每个梁单元的刚度矩阵 组装全船连续梁刚度矩 阵 即可求得船体梁的垂向变形曲线 公式为 占 0 万s 0 3 4 此处j 为由首 尾吃水决定的刚性船体中心线位移与船体梁挠度之和 置 为肋位i 处的船底支持弹簧刚度系数 对于无支墩的肋位 k o 4 船体支持弹簧刚度计算 支墩反力可能达到很大的数值 因此墩木压缩可以达到非线性范围 导致刚度计算 非常复杂 为了简化计算 仍假定墩木是弹性支座 其刚度系数为一常数 采用初始的 线性刚度系数 高估了实际刚度 将导致计算的支墩接触范围小于实际范围 对支敦反 力计算导致偏保守的结果 船底支持弹簧是由木质滑道及滑板支墩和船底局部结构形成的串联弹簧系统 其总 刚度k 按下式计算 但 土 l k ik 2 j 其中 k 1 滑道与支墩刚度 k 船底部结构刚度 滑道一支墩刚度k 1 计算如下式 掣b 其中 畅为支墩刚度 k h 为滑道刚度 支墩的刚度系数k 一般的经验计算公式如下 3 5 3 6 酬 丽1 2 c f b x a z 3 7 式中 e 与船接触墩木的弹性模量 晰 c m 2 e 下层墩木的弹性模量 栅 c m 2 与船体接触墩木层的高度 c m h 下层墩木的高度 c m a 上 与船体接触的墩木的面积 c m 2 k 的计算 船底构架在墩反力的作用下 产生凹入变形 其量级与支墩压缩变形 相当 并影响到支墩与船底的接触与脱离范围 因此得考虑船底局部强度 它一般应通 2 0 过底部结构的有限元计算得到 用a n s y s 工程软件构造所需要舱段的船底板架模型 分别依次在各个支墩点上加单 位垂向力 算得该点的挠度 其倒数即为该点的船底结构局部强度 考虑到左右两侧对 称 该强度系数应乘以2 用于计算 如果计算每一个支持点的船底结构刚度 需要较大的计算工作量 实际下水计算时 可以仅计算机舱及其前方的一个货舱底部 并将相应的刚度近似的应用于前方舱底部 这是因为下水强度计算的关键区域是机舱及前部货舱 5 下水计算 船舶下水计算可以在一系列选定的滑行位置处进行 例如 从滑行开始起 每滑行 l o 米 作为一个计算位置 系列计算的结果描写出船舶下水全过程的受力历史 船舶滑行位置从初始位置算起的滑行距离 滑程表达 给出一个确定的滑程之 后 可以根据滑道参数和水位 准确的算出首吃水值 直接计算的目标是确定正确的尾吃水 如前所述 它由一个迭代计算过程实现 为 此 需先设定一个尾吃水初值 它可以按刚性船体入水的几何关系算出 或利用上一滑 程的计算值作为更好的迭代初值 假定所有的支座弹簧全部接触 计算在设定的吃水下 船体浮力 船体变形和弹簧 反力 在一次计算完成后 检查所有的弹簧反力 撤去受拉的弹簧支座 修改模型后进 行下一次迭代计算 直至所有弹簧均在压缩状态 得到在设定尾吃水时船体粱的变形协 调状态 但是 此时的船梁受力并不平衡 表现在强制尾吃水引起的附加约束力 检查 该约束力的大小方向 调整尾吃水 重复计算 直到附加约束力为零 此时 浮力 重 力和支墩反力达到精确的平衡 船体与弹簧支座变形协调 得到该给定滑程时的船体姿 态和反力分布的正确结果 在用结构有限元软件计算时 以上过程协调计算