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S P ENGIⅢ NEE NG RI Vb .9No 42 0 12 . 0 7

船舶工程总第 2卷，2 0年第 4期 9 07

船舶纵向下水船底结构局部加强研究王媛媛，程远胜，曾广武(中科技大学交通科学与工程学院，武汉华 407 ) 3 0 4

摘

要：大中型船舶纵向下水时，往往会因支墩反力过大而需要检验船底局部强度和进行局部

结构的加强.文章通过若干实船下水的墩反力计算及加强结构的设计和分析，提出了合理布墩和加强 设置的若干原则，并以某汽车运输船为例，进行了船底局部结构三维有限元结构强度和稳定性的对比分析.结果表明，提出的结构加强原则和措施是合理、有效的. 关键词：船舶；船舶纵向下水；船底结构；局部强度；结构加强；墩木布置中图分类号：U6 1文献标识码：A文章编号： 10 .9 2(0 7 0 .0 70 7. 5 0 06 8 2 0 ) 40 5 .4

S u y o h c l e n o c m e t ft eb l e sr c u e t d n t e l a i f r e n i t u t r o r o h g i h[ e l u h n z n s i n nc i g pa d a lWANG Yua - u n CHENG a -he g ZE G a g WU ny a, Yu n s n, N Gu n -(a ut f rf c cec dE gn eig H ah n nvri f c n e n eh oo y Wu a 3 0 4 C ia F cl o af ine n n ier, u zo gU i s o i c dT cn lg, hn4 0 7, hn) y T i S a n e t Se a y‘

Abtat Bf r n u c i lre n e i isiirq i dt c ek h c lt n t o te s c, e e dl n hn o ag dm du s p,ts eur hc e o a s egh h r ' o e a gf a m h e o t l r f ble u re lc a t n n t n te elcl t c rsI ip p rsme r c l i e ol g o k eci s dt sr ghnt a r t e.nt s a e o i i e o gd t a b r o a o e h o su u h, p n p sf arn i lcs r el a d t n te i tnsae r oe codn ec

l lK n b c ragn bok p o r n r gh nn s t g r p o sdac rigt t c a oso l k g p y se g ei p oh a u f o ra t n n e ein n a s a dt n l t n t nn f, eea a i dlu cig. h ec o s d h s da l io d io a r gh i o. vrle lh e nhn s T e i a t d g a nys f i se e g s r sp n apa rt k s c ran pu e c r c re s a x mpl,te c n r s o pe a e e t i r a ari ra n e a e h o ta tc mpars n b t e h te g h a d io e we n t e sr n t n

s bl D fnt e m n s utr elc l i es utr o e he r u￣ s o h t h t it o 3 i l e t t c eo t oa l t c ei d n .T e l h w ta te a i f y i e e r u f h bg r u s s p o oe p i il s egh nn rc rs r ao a la de et e r sd r c e o t n t i s ut e e esn b ci . p np s f r e gt u a r e n f vKe r: s i y wo ds hp:s i e d a n h n"bl e sr c u e o a te gt;sr c u a te gte ig;b o k hp n l u c ig, i tu t r;l c lsrn h tu t r lsrn h n n g lca r n me t r a ge n

0引言船舶下水时作用在船体上的下水支墩反力所引

为保证下水过程中船体局部结构不受到损伤，采取局部加强措施是难以避免和十分困难的.近年来，国内外已有因船舶下水时，墩反力过大而使船底结构受损的事故【,船舶纵向下水时结构的强度和安全 2】

起的船底构件的强度 (包括稳定性 )在数值上和性，质上均与船舶航行条件下的状况大不相同.于现对

代大中型高速运输船舶，为了尽量减轻重量，船体往往为轻型结构：板材较薄，型材剖砸高度较小[ 1】 .但由于型深高，船的长宽比小，船的总强度一般是有富裕的.而通常货舱区域大，结构轻型，局部强度和刚度较弱.别是尾部线型非常尖瘦且斜升显著特的滚装船和

集装箱船，下水过程中船尾部浮力严重不足，会导致滑道末端处墩反力很大，使船底很多区域的结构局部强度严重不足.如果船底的纵向强力构件又刚好不在制造厂的下水滑道范围内，那么，收稿日期：2 0 .80;修回日期：2 0 .92 0 60 .7 0 60—6

已引起造船业界的重视，开展了很多研究【 3 .本文通过进行汽车运输船和集装箱船下水墩反力计算及加强结构设计和分析的实践，总结提出了合理布墩和局部加强设计的若干原则，以及进行局

部强度计算的方法，可供有关部门实施船舶纵向下水局部强度检验和加强设计时参考 .

1船舶下水时的配墩及墩反力计算船舶下水是一个复杂的动力学过程.传统下水

作者简介：王媛媛 (9 2 ) 18 .,女，硕士，主要从事船舶与海洋工程结构分析与设计，结构振动控制与抗冲击研究一

5~ 7

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计算中采用刚性船体计算方法，计算比较粗略.笔者开发了一套将船体当作弹性体的计算方法和程序， 船体梁简化为一根沿船长方向具有分布质量和抗弯刚度的空间薄壁变截面梁；下水横梁、直梁、木质墩、水泥墩、活络铁墩等共同组成弹性支撑，用有限元方法计算任一下水位置时船体的姿态和变形. 显然，墩木的配置 (位置及数量 )对墩反力的大小，及分布有重要影响.传统的下水布墩方案将墩木尽量均匀摆放至船

力的作用下，可能导致船底结构的损伤.很采用布墩

方案 2计算出的墩反力分布规律与方案 1类似，只是在数值上比之高些，反力分布图不再重复给出.墩

蚤×

底，使下水过程中船体受力均匀.但这种摆墩思想是建立在滑道面内有纵向强力构件作为承力构件的基础上.实际上，由于滑道中心线是固定的，船底结构在滑道面内常没有纵向强力构件 .因此，当根据结应

努

构状况和尽量简化加强的原则，合理配置支墩，优化下水过程中船底的墩反力分布，并在此基础上进行结构加强，将布墩方案与结构加强方案结合考虑 . 下面结合我们曾进行加强设计的一艘 4 0 30 C R汽车运输船的布墩方案进行分析讨论. A 某船船长 128 8 .m,垂线间长 10 7 . m,下水总 2质量 17 7 44 .t 7,重心距舯.. 8在坡度为 1 2船 74 5 m,/ 2台上建造 .下水

时潮高 58 .m,滑道末端水深 48 .m,船底基线距滑道面高度 0 .m. 9按照传统摆墩方式，布墩方案 1采用在实肋板下并列布置两个墩，两档实肋板之间，每档肋位布置一个支墩，如图 1】 (所示. a布墩方案 2采用实肋板下并列布置三个墩，两档实肋板之间不布置墩木， 如图 l ) (所示. b直梁墩木

图 2布墩方案 110, m滑程时墩反力沿船长分布图 5

2船底结构加强原则及加强设计由上述分析看出，船舶下水时作用在船底上的支墩反力非常大，并且集中作用于船底与支墩接触的局部区域，这和船舶航行状态下的受力性质是完全不同的.以能承受船体航行过程中分布水压力为依据设计的船底纵桁和实肋板之间的小板架，通常难以承受和有效传递这么大的墩反力.因此，根据这种受力特性，出如下加强设计原则：1支墩应尽提 )可能布置在纵向或横向强力构件下，如船底纵桁或纵舱壁，实肋板或强力肋板等；2对承受支墩反力 )的构件，要检验其抗弯和抗剪强度，以及薄壁构件的稳定性.由于下水时的载荷是一次性短时间作用， 因此，对局部弯曲和应力集中引起的二次应力，允许超过其抗弯和抗剪强度，以及薄壁构件的稳定性. 但高应力进入塑性应力重新分布后，结构不应出现大的变形； ) 3当强度和稳定性不足时，予以加强.应

()方案 1 a直梁墩木

加强构件应避免破坏船体在航行状态下受力的均匀性，避免因应力集中而可能导致船体的疲劳损伤，避免在已有的构件焊缝处重复施焊等.

21船底结构简况 .()方案 2 b 图 1墩木布置示意图

建造船台中心距相对于所考虑的某船船底纵桁中心距小，该船仅在距船中 6 0 左舷 ) 45 0,0 0 mm(和。 0 In ( T l右舷 )处设有旁内龙骨，滑道面内只有L, I 5 L,7 6 L三根船底纵骨作为纵向承力构件，详见图 3、图4 .

采用基于 A S S N Y的船舶弹性下水计算方法计算得到的布墩方案 1 10m滑程时墩反力沿船长在 5分布情况如图 2所示.由图 2可发现，沿船长方向分

22主要结构加强措施 .根据以上所提出的加强原则，鉴于本船实际情况，船底结构在滑道面内没有纵向强力构件，因此调整支墩位置，改变下水过程中船底的墩反力分布.

本船船底结构船长方向每隔四档肋位即设一档实肋

布的墩反力在滑道末端时，墩反力值高达约 110.。 t 0 其原因是因该船尾部线型较为尖瘦，尾部浮力增加较缓慢，导致滑道末端墩反力较大.在这样大的墩反5— 8

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板作为承受墩反力的主要构件 .采用将支墩主要布置在实肋板下，三根底纵骨下尽量不布置支墩的布墩方案 (即方案 2 ).7

一

10 0 ( 5×1实肋板 )

内底纵骨

\'

、

4 0 2L 5\ 5×1 7

3o o 7 o×1 L 5HP 2 3 0× 1 2

十 下毒骨0【旁 2中内 1 0— 0— 、 外底纵骨一

、

一

P r 脲

()纵向加强示意图 ( a单位：ml ) i 1旁内龙骨距船中 6 0实肋板 00f/

中内龙骨距船中 7 0 5\

|N N●

、N

N

距纵

扶强材一5 x 0 10 1

()横向加强示意图 ( b单位：ml ) i 1实肋板

图 5下水加强方案图 3船底典型结构示意图 (单位：mm)

23船底结构有限元分析 .旁内龙骨 .左舷中内龙骨

本文选取 F 7 .R 0 R 4F 16区域为船底中部结构计

距船中 60m ! 00 m

距船中 7 0 m 5m

算区域，利用有限元软件 A YS NS,依据厂方提供的船体结构图纸，建立其三维有限元模型进行分析计算.选用 S e 3单元模拟船底外板、实肋板、龙 h l6 l骨等薄壁构件，B a 8 em18单元模拟纵骨，小肋板， S l4 oi 5单元模拟木直梁和墩木.限元模型如图 6 d有所示

滑道中心线

图 4下水墩木布置横剖面示意图

在上述布墩方案下，实肋板承受较大的墩反力， 弯曲强度和剪切强度会不足 .因此针对此种情况采用以下加强措施，具体加强方案见图 5 .图 6中部船底结构局部强度校核有限元模型(除一层甲板 )去

1加大实肋板上扶强材尺寸， )让其传递一部分支墩反力 .本船实肋板靠近船尾一面原有 10 1 5￣0

(水密实肋板处为 H 10 1 )的扶强材，因此在 P 8￣0实肋板另一面，L、L 5 6、L纵骨位置处增设 7 H 3 0 1的扶强材，并在前后扶强材与上、下纵 P 2￣2骨之间设置大尺寸肘板 . 2 )各档实肋板，除

水密实肋板外，均设置了不同数目的人孔，在较大墩反力作用下，可能会导致实肋板局部失稳，在实肋板上增设水平扶强材，防止实肋板失稳.

231计算载荷及边界条件 ..分别选用两种布墩方案，对应墩反力较大的滑程 135 5 .m作为计算工况： 计算载荷采用两种方案下计算所得墩反力值乘以 1 5倍的动载系数.了更 . 2为好地模拟施加在船底结构上的墩反力，本文在进行底部结构有限元分析建模时，将木直梁和墩木按其实际摆放位置和形状以体单元加以模拟，其中墩反

力以面载荷的形式施加到有限元模型中的支墩下表面上 .限元模型的边界条件处理为第一层甲板即有5— 9

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内底板外轮廓线简支 . 23有限元计算结果及分析 .2 I共考虑四种计算工况：工况 1和工况 2采用布墩方案 2工况 3和工况 4采用布墩方案 1其中工，,况 1与工况 3按照上述加强方案进行加强；工况 2

水过程中，实肋板或半实肋板失稳特征值小于 1, . 0因此，在墩反力的作用下这些构件会出现失稳的情况.工况 3加强后，虽然实肋板的特征值有所提高， 但是半实肋板的稳定性仍不能满足要求.工况 1的结果表明在采取加强措施后，实肋板或半实肋板失稳特征值均大于 1, .且有一定的储备， 0故下水过程中船底结构的稳定性得到了保证.采用布墩方案 2

和工况 4未进行加强，其中工况 4为该船原始结构和布墩方式.了便于比较分析四种工况下强度与为

稳定性计算结果，表 1给出了某典型实肋板及纵骨在工况 1 . 3下计算结果相对于工况 4的结果比值 . 从表 1所列结果数据对比分析可以发现： 1工况 1 )和工况 2对应的布墩方案在纵骨下没有支墩，故船底纵骨弯曲应力水平大幅度下降，只有工况 4对应值的 3%不到，可保证在下水过程中 0纵骨不会受到损伤.由于加强措施在纵骨上增设了

或布墩方案 1对加强前后实肋板的稳定性影响不大，但是布墩方案 1引起半实肋板的稳定性问题，会 方案 2则不会出现该问题.由此可见，采用布墩方案 2和加强措施后，船

底纵骨在下水过程中不会受到损伤，该船下水过程中的强度和稳定性均满足要求.表 2稳定性计算结果计算工况实肋板失稳特征值半实肋板失稳特征值12

3 4

大尺寸的肘板，工况 3对应的纵骨弯曲应力也下降至工况 4相应值的约 4%的水平，但是由于工况 4 0

12 8 .3071 . 6 123 . 4 0. 3 76

15 4 .911 .58 0.27 6 0. 428

的纵骨弯曲应力水平大大超过了许用水平，因此该种情况下纵骨的强度还是不能得到保证 .虽然可以进一步在内底纵骨和外底纵骨之间增设撑子进行加

强，但是下水完成后，撑子一般要切割，否则对于此类船舶，有可能引起航行过程中结构的疲劳问题. 同时，在较为密闭的底舱切割撑子也十分困难.一般3结论

情况下，当船底纵桁不在滑道面范围时，船底纵骨是难以承受其下支墩的墩反力的.为了避免纵骨受到实质性损伤，可考虑将支墩摆放在实肋板下，而纵骨下不设置支墩 .

大型船舶在下水过程中船底结构可能存在安全性问题 .当局部强度不足时，应当采取一定加强措施

本文的算例说明，船底结构加强应当将支墩的布置方案和加强措施统一起来考虑 .本文针对某大型汽车运输船下水的实际情况，提出将支墩布置在实肋板下，以实肋板作为主要的承力构件的加强措施， 能够保证该船下水过程中结构的强度和稳定性，提出的加强原则和具体措施是合理和有效的. 致谢：

2工况 2的计算结果表明， )布墩方案 2实肋板上的弯曲应力水平比布墩方案 1的略低.采用加强措施后，两种布墩方案下的实肋板的弯曲应力水平相当，两者较未采取加强措施时应力水平降低了约 1%. 0由于布墩方案 2的实肋板下布置了三个墩木，较布墩方案 1时实肋板处的墩反力大一些，因此实

肋板的剪应力水平有所提高，但对于本船，其剪应力仍可满足要求.表 1两种布墩方案下有限元分析结果 计算结果工况 1工况 2工况 3

本文的研究工作得到厦门船舶重工股份有限公司的资助；张青敏，何力，罗丹参加了本项研究的部分有限元分析工作，作者对此深表谢意. 参考文献：[]周永青 .5 0车位汽车运输船结构设计中的几个问 1 49题[ .舶， 19,5: 51. J船] 9 9 () 1—9

实肋板弯曲应力比值/% 8 .4 9 . 8 . 68 4 7 4 41 2实肋板剪应力比值/%纵骨弯曲应力比值/% 176 l59 8 . 0

. 2 1. 5 71 7 2 .7 2 . 3 .1 42 7 4 3 75

[]杜忠仁. 2船舶下水时船底结构受损分析实N]造船 E. J工艺，19,2: 3i . 9 1 ()2一8

表 2列出了四种计算工况下实肋板和半实肋板 (本船两档实肋板之问，在 L、L,L、中内龙 6 7 2骨之间设有半实肋板，见图 4 )第一阶失稳波形对

『何秋萍， 3 刘文远. 6 0m车道客滚船纵向油脂滑道下 10 水工艺探讨[ . J广船科技，2 0,3: -.] 0 3 () 1 6[]马骏，邢金有，熊家敏. 4船舶下水底部局部强度分析[ .船技术， 1 9,5: -, . J造] 9 8 ()45 3

应的特征值.工况 2 3 4的计算结果表明该船在下、、

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