大型浮船坞水平船台2滑道接驳强度及变形分析

李川江，唐文勇，汪家政

(1.上海交通大学 船舶海洋与建筑工程学院，上海 200240； 2.舟山长宏国际船舶修造有限公司，浙江 舟山 316000)

大型浮船坞水平船台2滑道接驳强度及变形分析

李川江1,2，唐文勇1，汪家政2

(1.上海交通大学 船舶海洋与建筑工程学院，上海 200240； 2.舟山长宏国际船舶修造有限公司，浙江 舟山 316000)

摘要：为分析大型浮船坞整体在水平船台滑道上建造接驳的可行性，采用有限元法对某150 MN举力的160 m浮船坞结构进行水平船台2滑道接驳过程中的强度及变形分析。根据分析结果，在对结构进行简单局部加强后，接驳强度和变形满足相关要求，大型浮船坞可在水平船台上建造接驳。

关键词：浮船坞；水平船台；有限元；强度；变形

浮船坞主要用于各类船舶的修理作业[1]，随着近年来平地造船的兴起，浮船坞又增加了水平船台接驳下水的功能，相对于船坞造船，平地造船具有节约建设资金、有效降低建造成本、快速提高造船能力等优势[2]。常规的浮船坞是在干船坞内进行，通过传统的船坞注水方式起浮出坞。但由于其超宽的结构，有很多船厂只能在斜船台上建造，然后通过船台滑道及船架下水[3]。对于大型的浮船坞，限于船台承载能力，在船台上建造时，一般将船坞分为多个大型总段分别下水，再在水下合拢[4]。姜磊等[5]根据CCS规范对浮船坞进行了各种工况下总纵强度和横向强度直接计算。赵振宇等[6]分析了不同加载方式和约束条件对浮船坞整体结构强度的影响。刘国辉等[7]通过有限元法对浮船坞建造及浮坞接载船舶时的支墩反力进行过计算模拟。陈庆强等[8]采用有限元法分析过采用3个支墩承载接载船舶的浮船坞受力工况，均没有对浮船坞本身在滑道上滑移时的强度及变形进行分析。

当建造的浮船坞采用2条滑道接驳到大型浮船坞上后下水时，浮船坞接驳滑移时自身强度及变形将是建造方案需要考虑的最重要因素，有必要对浮船坞的近距离2滑道接驳整体强度及变形进行分析，以确保浮船坞安全接驳。

由于浮船坞沿坞长、坞宽结构较均匀，理论上其在滑道上的受力情况可简化为船体梁，采用材料力学中弯曲变形理论进行校核。但因其跨度较大，浮箱结构受力情况复杂，故考虑采用Patran软件对浮船坞的受力状态进行分析[9]，同时也用材料力学的弯曲理论对简化模型进行计算，验证简化计算结果的准确性。

1浮船坞2滑道滑移受力计算

1.1浮船坞参数

本文针对水平船台建造的一艘浮船坞，坞长度160 m，平底区域、坞墙结构长145.6 m，艏艉为楔形结构，整体宽度46 m，内坞壁宽40 m，坞深18.4 m，浮箱甲板高度4.6 m，平直区域平均肋板间距2.6 m，全船共8个压载舱，压载舱的平均长度约为18.2 m，浮坞作业吃水4.2 m，最大深沉15 m，最大举力150 MN，肋骨间距1.4 m，甲板载荷80 kPa，理论上可进行5万t级船舶的接驳。

全坞结构总重量约6 552.00 t，实际下水重量按总重量1.2倍估算约7 862.40 t，有限元建模时按照浮船坞的实际结构进行，对建好的模型按浮船坞实际重量分布情况进行调整。

1.2下水滑道

水平船台上1号船台滑道间距8.0 m，2号船台滑道间距14.5 m，下水滑道沿着浮坞长度方向布置，滑道本身宽度为1.2 m，下水时，1.2 m宽度范围内完全承重，根据浮船坞横剖面上的重量分布，左右舷重心线间距约为28 m，即理论上，滑道中心间距在28 m范围内，间距越大，浮船坞受力情况越好，而现有的2类滑道中心间距均在28 m范围内，因此，理论上2号船台的14.5 m间距对浮船坞受力更好。但因船台造船周期较紧张，此浮船坞有可能在两船台的任一船台建造，因此主要对存在极端情况的间距8.0 m滑道受力情况进行分析，对14.5 m滑道方案复核即可。

浮船坞在8.0 m下水滑道上布置如见图1，浮船坞船体直接搁置在放有墩木的滑车上，通过移船绞车拉动滑车，滑车通过链轮在滑道上滑动。

1.3浮船坞受力模型简化

1.4约束条件及受力工况

1.4.1有限元分析

根据简化后的舱段模型，采用Patran有限元软件建立有限元模型进行分析，有限元建模时，每肋位间距、纵骨间距按2个网格方式划分，舱段模型板厚云图如图2所示。

图2　160 m浮船坞有限元模型板厚云图

重量调节，对比预估重量、实际结构建模重量，通过修改密度调节结构自重，以使模型重量达到预估重量，加载重力加速度9.8 m/s。

约束条件，根据浮船坞与滑道的接触和运行方式，对船底外板中心线上所有节点进行船宽方向和船长方向(模型的X和Z方向)的约束，对中心距8.0 m滑道区域内的节点进行型深方向上的约束(模型Y方向)。

2计算结果分析

2.1有限元分析结果

8 m滑道方案，最大应力为240.0 MPa，发生在水密舱壁的最外侧约束点区域，见图3。

图3　8 m滑道方案水密舱壁最大应力区域

因最大应力超出最大许用应力，需对应力集中区域进行加强处理，经综合分析，加强方式为将受力集中区域的壁厚加强到30 mm，加强后最大应力为144 MPa，最大应力区域仍然发生在最外侧约束点区域，见图4。

图4　8.0 m滑道方案局部加强后水密舱壁最大应力区域

8.0 m滑道方案加强后的计算结果变形云图见图5，最大为37.8 mm，发生在顶甲板的最边缘区域。垂向(模型Y向)最大变形量为31.5 mm，横向(模型X向)最大变形量为20.8 mm，最大变形均发生在顶甲板的最边缘区域。

对14.5 m滑道进行复核，结果见表1。

2.2强度及挠度变形标准

结构的von Mises相当应力取235/KMPa，其中K为材料系数，按普通钢取1，即取相当应力235 MPa[10]，浮船坞接驳自由滑移过程可看做大型重物移动过程，根据起重作业安全系数相关规定[11]，构件在安全工作时，所允许产生的许用应力为

图5　8.0 m滑道方案局部加强后结果变形云图

滑道间距类别加强前最大应力/MPa加强后最大应力/MPa横向最大变形/mm垂向最大变形/mm整体最大变形/mm8.0m24014420.831.537.814.5m23314018.723.930.3

式中：σs——允许的最大应力，此处为235 MPa；

ms——材料屈服强度安全系数，一般取ns=1.4～1.7，此处取ns=1.6。

结构的许用挠度按不大于L/150取值，对于8.0 m滑道L取最短悬臂长18.4 m，即最大变形不超过122.7 mm为合格，14.5 m滑道时L取最短悬臂长15.2 m，即最大变形不超过101.3 mm为合格。

2.3计算结果数据分析

根据强度及挠度变形标准，对比各计算方式各滑道的结果数据见表2。

表2　各类滑道有限元计算结果对比

表2结果表明，局部加强后满足要求。

2.4下水实测情况

根据生产进度，该船坞被安排在2号船台建造，根据有限元分析结果，在建造时对水密舱壁的局部结构进行加强。采用全站仪作为监测工具，其测量精度为±2 mm/km，在浮船坞船舯位置的浮箱甲板、顶甲板内侧设置全站仪监测点，浮船坞浮箱甲板端部滑道位置上方设置全站仪观测点，分别记录浮船坞上滑道前后各监测点的坐标值。

对接驳上滑道时敲墩前后坞体的变形状态进行全站仪跟踪测量，下水后对舱壁局部情况进行检查，无任何变形或破坏情况。浮船坞上滑道后船舯位置变形结果汇总见表3。

>现场实际接驳时影响变形的因素较多，如与实际接驳时整船受力，浮坞艏艉均成封闭结构，理论分析仅对局部舱段进行，且两端呈开口状态以及计算重量预估分配等原因有关，但根据表中数据对比，最大变形小于实测值。

表314.5 m滑道接驳浮船坞变形数据对比

mm

3结束语

大型浮船坞整体采用水平船台滑道下水，对船厂来说挑战极大，因仅2条滑道支撑整船体，需充分考虑坞体自身的结构强度，计算分析表明只需进行简单的局部结构加强，即可满足浮船坞的水平船台建造接驳强度要求，同时，以下水实测变形数据表明整体分析方法相对可靠，此方法可推广应用到其他大型或超大型的船舶或海洋结构物的水平船台建造接驳分析。

参考文献

[1] 蒋浩福.万吨级浮船坞设计发展概况[J].船舶设计通讯.1996,89(1):51-54.

[2] 黄文飞.平地造船法工法研究[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学，2011.

[3] 唐洪建.3万kN举力浮船坞的建造与试验[J].造船技术，2005,265(3):22-30.

[4] 佟国志，龚礼兵，高渊，等.12万t举力超大型浮船坞建造工艺与方案[C].中国大连国际海事论坛，2008：316-322.

[5] 赵辰宇，刘寅东.浮船坞结构强度直接计算方法对比研究[J].船海工程，2013,42(1):1-4.

[6] 姜磊，陈攀，李坤.119 m浮船坞结构强度计算分析[J].船海工程，2015,44(4):5-13.

[7] 刘国辉，叶家玮.船舶水平纵向浮船坞下水分析[J].船舶工程，2012,34(2):57-60.

[8] 陈庆强，朱胜昌，陈章义，等.下排浮船坞坞体结构强度分析[J].船舶力学，2002,6(4):51-61.

[9] 龙凯，贾长治，李宝峰，等.Patran 2010与Nastran 2010有限元分析从入门到精通[M].北京：机械工业出版社，2011.

[10] 中国船级社.钢制海船入级规范[M].北京：人民交通出版社,2014.

[11] 黄浩，船体工艺手册[M],北京：国防工业出版社，2013.

Strength and Deformation Analysis of the Large Floating Dock in the Process of Transshipping on 2 Slipways of the Horizontal Berth

LI Chuan-jiang1,2, TANG Wen-yong1, WANG Jia-zheng2

(1 School of Naval Architecture, Ocean and Civil Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China;2. Zhoushan Changhong International Shipyard Co. Ltd., Zhoushan Zhejiang 316000, China)

Abstract:For analyzing the feasibility that the large floating dock is built and transshipped on slipway of the horizontal berth, the finite element method is used to analysis the strength and deformation of a large floating dock which has 150 MN lifting capacity, 160 m length and plans to be transshipped on 2 slipways of the horizontal berth. According to the analysis result, the strength and deformation meets the requirements but it needs to be strengthened in some local area. So the large floating dock could be built and transshipped on the horizontal berth after structure strengthening.

Key words:floating dock; horizontal berth; finite element method; strength; deformation

DOI:10.3963/j.issn.1671-7953.2016.03.007

收稿日期：2015-11-10

第一作者简介：李川江(1986—)，男，学士，工程师 E-mail:bzlizhiguo@126.com

中图分类号：U673.332

文献标志码：A

文章编号：1671-7953(2016)03-0031-04

修回日期：2015-11-30

研究方向:船舶建造工艺等