抬船浮箱載船下水總縱強度計算分析

邱 華 海

（江南造船（集團）有限責任公司，上海 201913）

0 引 言

抬船浮箱載船下水屬于機械下水。根據建造工藝要求，船體下水過程分為兩大階段：第一階段是船舶移位階段（簡稱“半船下水”），即下水船舶先在1號船臺上建造，除主甲板和上層建筑外的主船體結構搭載完成后，用小車組群承載運到浮箱上，經浮箱起浮移動到2號船臺；第二階段為船舶完整性下水階段（簡稱“整船下水”），即在2號船臺上船體主結構及大設備如主機、液罐吊裝搭載完整后下水。

抬船浮箱載船下水時，被載船體上的載荷通過墩木傳遞給抬船浮箱。本文針對采用抬船浮箱載船下水方式的22000m3液化氣船進行總縱強度計算，該整船駁運下水時，有 60個肋位處布置了墩木；半船駁運下水時，有52個肋位處布置了墩木。圖1為在350t橫梁上橫向布置的墩木。

圖1 抬船浮箱載船墩木布置（350t橫梁）

1 抬船浮箱載船下水時總縱強度計算

在整個抬船浮箱載船下水過程中浮箱的安全是下水方案成功與否最為關鍵因素。抬船浮箱載船駁運時總縱強度計算就是為了確保浮箱起浮后其總縱彎矩和箱體梁的撓度在許用范圍之內，并為浮箱內壓載水的配載提供理論依據。

計算前提條件是將下水船舶（包括橫梁及墩木）的重量中心與浮箱的重量中心調至一致，確保浮箱在水中浮起時是正浮狀態。通過對浮箱壓載水的調節來控制浮箱正浮狀態下的總縱彎曲應力及變形情況以及各載船橫梁上楞木支反力情況。

抬船浮箱載船下水過程中的浮箱變形及總縱強度計算采用有限元方法進行，計算分析軟件采用MSC.PATRAN /NASTRAN。

1.1 結構有限元計算模型

根據抬船浮箱載船布置圖，將浮箱和下水船簡化為彈性基礎耦合梁，把浮力的作用等效為彈性基礎。下水船舶與浮箱之間的相互作用采用單向受壓的彈簧模擬，建立浮箱載船下水的總縱強度計算結構有限元模型，見圖2，建模規則[1]有：

圖2 浮箱的總縱強度計算模型

1)下水船船體簡化為船體梁來模擬，船體梁縱向彎曲特性將采用若干各不同截面梁來模擬，根據整船與半船結構的不同，它們彎曲特性也不同，見表1。

表1 船體及浮箱的彎曲特性表

2)浮箱用一等截面梁模擬；

3)船與浮箱之間支墩用接觸單元來模擬；

4)浮力用一定剛度的線性彈簧來模擬；

5)船體和浮箱重量以及壓載水作為外載荷施加到相應有限元模型上。

1.2 載荷

抬船浮箱載船整船和半船駁運下水時，抬船浮箱主要承受整船（或半船）結構重量、橫梁重量、墩木重量、抬船浮箱結構重量和靜水浮力等載荷。

1.2.1 結構及舾裝重量

抬船浮箱載船整船和半船駁運下水時的主要部分重量及重心見表2。

表2 結構重量及重心

根據整船及半船各重量、重心數據,可得到下水船重量載荷沿船長的分布如圖3、4。

1.2.2 靜水浮力

在抬船浮箱載船整船和半船駁運時，為使其保持正浮狀態且總縱彎矩小于最大許用彎矩，需要對抬船浮箱的壓載艙進行壓載優化處理。

1.3 邊界條件

由于抬船浮箱載船駁運過程中，重力、壓載等與浮力在垂直方向平衡，因此在有限元模型的計算中，只需對其剛體位移進行約束即可。

1.4 駁運壓載工況

為優化抬船浮箱在載船駁運過程中總縱彎曲強度和保持抬船浮箱基本正浮，分別對抬船浮箱兩端的壓載艙進行了各種壓載工況的計算。表3 給出整船和半船駁運時抬船浮箱的壓載工況。

圖3 整船重量載荷分布

圖4 半船重量載荷分布

表3 壓載工況 t

2 計算結果及分析

2.1 整船

2.1.1 主要計算結果

應用MSC.NASTRAN計算求解分析模塊軟件，通過對抬船浮箱梁結構有限元模型的計算，得到抬船浮箱梁在整船駁運時各載荷組合工況下總縱彎矩、總縱彎曲變形和總縱彎曲應力。表4給出每一種載荷組合工況下抬船浮箱上的最大彎矩、最大變形和最大應力，同時給出各載荷組合工況下無反力墩木的位置。

根據表4給出的數據，繪制了抬船浮箱梁上的最大彎矩、最大變形和最大應力與壓載量之間的關系曲線，如圖5、6所示。

對整船下水狀態，其抬船浮箱下水的計算校核結果見表5。

表4 整船駁運時的最大彎矩、最大變形、最大應力

圖5 抬船浮箱粱最大彎矩與壓載水重量的關系曲線（整船）

圖6 抬船浮箱粱最大變形和最大應力與壓載水重量的關系曲線（整船）

表5 整船下水狀態抬船浮箱校核數據

2.1.2 小結

1)浮箱變形與總縱彎曲應力：無壓載的狀態下，浮箱中垂很明顯，變形量達到335mm（見圖6），彎曲應力約133.12MPa（見表5）；隨著壓載水重量的增加，變形逐步減小，彎曲應力也隨著下降；在4166t壓載左右，浮箱接近無變形（見圖6），應力僅為7.23MPa（見表5）；之后浮箱兩端壓載水重量繼續增大，浮箱轉為中拱狀態，變形逐步增大，應力也快速上升。

2)浮箱-船舶系統整體吃水：隨著壓載水重量增大，浮箱吃水逐步增加，壓載工況 7 即 7812t壓載狀態，最大吃水為3.48m，仍可符合浮態吃水要求。

3)浮箱最大彎矩：無壓載狀態浮箱最大彎矩約33690tm（見圖5），超過許用最大彎矩30000tm；隨著壓載增加，浮箱最大彎矩逐漸減小，在 4166t左右壓載時，彎矩達到最小，為1829tm（見圖5），之后彎矩隨壓載增大反向增大。

4)浮箱舉力：船體浮箱系統的總重量達到14148.5t，浮箱許用最大舉力為18000t，隨著兩端壓載水重量加大，壓載工況4即當浮箱A2、A4和A22、A24滿壓載，各911.4t（見表3），此時系統總重量 14148.5t+3645.6t=17794.1t，未超出許用值。

綜上所述，從整船下水狀態浮箱強度考慮，選取壓載工況 4（即浮箱兩端 A2、A4和 A22、A24滿壓載，各911.4t）時，浮箱變形、總縱彎曲應力和最大彎矩都較小，滿足安全性需要，且無壓載艙自由液面的影響。

2.2 半船

2.2.1 主要計算結果

應用 MSC.NASTRAN計算求解分析模塊軟件，計算得到抬船浮箱梁在半船駁運下水各載荷組合工況的總縱彎矩、總縱彎曲變形和總縱彎曲應力。

表6給出各載荷組合工況下抬船浮箱的最大彎矩、最大變形和最大應力，同時給出各種載荷組合工況下無反力墩木的位置。

表6 半船駁運抬船浮箱粱最大彎矩、最大變形、最大應力

根據表6給出的數據，繪制了抬船浮箱粱最大彎矩、最大變形和最大應力與壓載量之間的關系曲線，如圖7、8所示。

圖7 抬船浮箱粱最大彎矩與壓載水重量的關系曲線（半船）

圖8 抬船浮箱粱最大變形和最大應力與壓載水重量的關系曲線（半船）

對半船下水狀態，其抬船浮箱載船下水的計算 校核結果見表7。

表7 半船下水狀態抬船浮箱校核結果匯總表

2.2.2 小結

1)浮箱變形與總縱彎曲應力：從圖7可看出，在僅保持浮箱正浮的少量壓載狀態下,浮箱中垂很明顯，變形量達到352mm，彎曲應力約61.13MPa（見圖8和表7）；隨著壓載水重量的增加，變形逐步減小，彎曲應力也隨著下降；在1700t壓載左右浮箱接近無變形，應力僅為18MPa左右（見圖8）；之后浮箱兩端壓載水重量繼續增大，浮箱轉為中拱狀態，變形逐步增大，應力快速上升。

2)浮箱-船舶整體吃水：隨著壓載水重量增大，浮箱吃水逐步增加，3497.8t壓載狀態最大吃水為1.92m，仍可符合浮態吃水要求。

3)浮箱最大彎矩：從圖7可以看出，無壓載狀態浮箱最大彎矩約 13838tm，雖然沒有超過許用最大彎矩 30000tm，但比較大；隨著壓載增加，浮箱最大彎矩逐漸減小，在2456t左右壓載時，彎矩達到最小，為-4308tm，之后彎矩隨壓載增大反向增大。

4)浮箱舉力：船體浮箱系統的總重量達到8617.86t，浮箱許用最大舉力為18367t，隨著兩端壓載水重量加大，當浮箱 A3滿壓載 781.2t，A23壓載 633.4t，共1414.6t（見表3），此時系統總重量8617.86t+1414.6=10032.46t，未超出許用值。

綜上所述，從半船下水狀態浮箱強度考慮，選取壓載工況2（即浮箱A3艙滿壓載781.2t，A23艙部分壓載633.4t，共1414.6t）時，浮箱變形、總縱彎曲應力和最大彎矩都較小，滿足安全性需要，但存在一定自由液面的影響。

3 結 論

3.1 對于整船下水

1)在無壓載水的狀態下，浮箱在載船整個下水過程的總縱彎矩不滿足浮箱許用總縱彎矩要求，其變形也較大，因此該狀態為危險狀態；

2)當壓載工況4（即浮箱兩端A2、A4和A22、A24滿壓載，各911.4t）時，浮箱變形總縱彎曲應力較小，在載船整個下水過程的總縱彎矩亦滿足浮箱許用總縱彎矩要求，其變形也滿足規范要求。

3)在整船下水狀態下，為了保證浮箱在載船整個下水過程的總縱彎矩滿足浮箱許用總縱彎矩要求和浮箱的變形滿足規范要求，建議浮箱艏、艉兩端的壓載水各自為911.4t（即浮箱兩端A2、A4和A22、A24滿壓載），因此時彎矩和變形較為合理。

3.2 對于半船下水

1)在僅有保持浮箱正浮的壓載水的狀態下，浮箱在載船整個下水過程的總縱彎矩和變形都較大，因此該狀態為危險狀態；

2)當壓載工況2（即浮箱A3艙滿壓載781.2t，A23艙部分壓載633.4t，共1414.6t）時，浮箱變形總縱彎曲應力較小，在載船整個下水過程的總縱彎矩亦滿足浮箱許用總縱彎矩要求，其變形也滿足規范要求。

3)在半船下水狀態下，為了保證浮箱在載船整個下水過程的總縱彎矩滿足浮箱許用總縱彎矩要求，且浮箱的變形滿足規范要求，在浮箱近船艉的A3艙滿壓載，為781.2t；近船艏的A23艙部分壓載，為633.4t，此時彎矩和變形較為合理。

但建議最好以適當壓鐵重量置于浮箱艉部以調整浮箱正浮，同時保證浮箱兩端A3和A23都滿壓載，以消除自由液面對穩性的不利影響。

3.3 結語

將該項目計算報告及時轉換為指導下水實施的設計方案，確保了22000m3液化氣船三批次抬船浮箱載船下水成功安全實施，填補了國內大型半冷半壓式液化氣船區域造船的空白，保障了液化氣船全面按時保質完成，促進了總段建造模式的發展，提高了船廠核心資源的利用率。與同系列產品相比較，船臺周期縮短約1個月；為公司創造了較大的經濟效益和良好的社會效益。

[1] 孫曉凌，張世聯.浮箱載船下水總強度的簡化分析方法[J].船舶工程，2008.