集滚船艉部船体搭载下沉预报与实测分析

万 忠，王佳颖，杨立志

（沪东中华造船（集团）有限公司，上海 200129）

设计与研究

集滚船艉部船体搭载下沉预报与实测分析

万 忠，王佳颖，杨立志

（沪东中华造船（集团）有限公司，上海 200129）

以某集滚船为研究对象，对其艉部船体在搭载阶段的下沉变形进行有限元计算分析预报和实船测量。通过与实船测量结果相对比，证明有限元计算分析可比较精确地模拟艉部船体在纵向和垂向的变形趋势，而对横向变形的模拟存在一定的偏差，同时分析可能引起横向变形模拟偏差的因素。该有限元计算分析方法可为预报类似船舶产品的艉部船体下沉变形提供技术参考。

集滚船；艉部船体下沉变形；有限元分析

0 引 言

在船舶搭载阶段，艉部伸出主船体的部分会在临时支柱拆除后受重力的影响出现下沉变形现象，随着船舶尺度的逐步增大，这种现象会越来越常见。在沪东中华造船（集团）有限公司（以下简称“沪东中华”）大型集装箱船和液化天然气（Liquefied Natural Gas，LNG）船建造过程中，已多次出现临时支柱拆除后艉部船体明显下沉的现象。

艉部船体下沉会导致舵系发生位移变化，进而改变轴舵系的相对位置关系。对于常规船型，艉部结构和设备多采用对称布置形式，因此艉部船体下沉主要会导致舵与螺旋桨之间的纵向间距缩短。通常情况下，对轴舵系安装精度的要求主要以控制舵系中心线与轴系中心线的横向偏差为主，对舵与螺旋桨之间的纵向距离并无明确要求[1]。受施工因素（如工装设备未左右对称布置、左右舷临时支柱受力不均匀等）的影响，临时支柱拆除后艉部船体下沉会使舵系与轴系的中心线产生一定程度的横向偏差，这种偏差可在照光时通过镗孔进行修正。对于常规船型，一定程度的下沉变形并不会对船体的建造精度产生实质性影响。然而，对于沪东中华承建的45000DWT集滚船，情况并非如此。这主要是因为：

1) 该船安装了高效的推进系统，为提高推进效率，舵球前端面（见图1中D点）与螺旋桨桨帽尾端（见图1中B点）纵向间距的偏差应在±1mm以内，而艉部船体下沉必然会导致两者之间的距离缩小。

2) 该船艉部结构并非对称形式，且在艉部右侧布置有艉跳板和艉门等大型滚装设备（见图2），其中仅艉跳板的结构质量就达到340t。这些设备需在船坞搭载阶段进行安装调试，根据现有的经验难以预判滚装设备安装后是否会造成艉部船体发生较大程度的横向下沉变形，以及由此导致舵系中心线发生横向偏移。

3) 该船配备的贝克舵的舵套筒于分段建造阶段预装在船体分段中，后续在船坞搭载阶段无需镗孔，直接将舵杆插入舵套筒即可完成舵系的安装，无法通过镗孔来矫正舵系安装偏差。

因此，需在船舶设计阶段对艉部船体下沉进行分析预报，以便在艉部总段搭载阶段设置反变形量来抵消艉部船体在临时支柱拆除后的下沉变形，从而保证轴舵系的安装精度。

在已有的针对船舶建造阶段的变形分析的相关研究中：陈彦斌[2]和刘志刚[3]分别对船舶建造过程中船体焊接变形的影响因素及预防措施进行归纳分析；周宏等[4]基于固有应变对集装箱船船体总段船台合拢焊接变形进行预报分析；周德寿等[5]对某LNG船在搭载过程中的坞墩枕木下沉变形进行有限元计算和实测研究。上述研究主要集中在船舶焊接变形和坞墩枕木下沉变形方面，对艉部船体下沉变形进行的分析较少。通过对沪东中华和其他船厂的船舶搭载精度管理现状进行调研发现，对于批量建造的常规船型，通常通过对同一系列先建造过程中的艉部船体下沉实测数据进行统计分析来确定后续船的搭载下沉反变形量。然而，对于集滚船等新船型，这种方法因缺少足够的有效实测数据且存在一定的技术风险而难以适用。

在该船的设计阶段，技术人员通过分析艉部船体在搭载各阶段的受力特点，采用有限元方法计算艉部船体在搭载各阶段的下沉变形，分析艉部船体在整个搭载过程中的下沉变形趋势并确定船体下沉反变形量，同时在首制船建造过程中对船体的实际下沉情况进行跟踪测量，本文主要对此进行总结和分析。

1 有限元计算预报

1.1 有限元建模

采用MSC.Patran软件建立自机舱前壁至艉部的船体有限元模型。对于船体结构，除纵骨和T型材面板等构件采用梁单元模拟以外，其他构件均采用板单元模拟。建模时，在每个纵骨间距与肋骨间距之间设置一个单元。采用杆单元模拟分段阶段预装的舵套筒，并以MPC与船体结构相连。对于结构自重，通过给定材料密度，以重力加速度g模拟。对于搭载过程中需安放的临时支柱，以梁单元的形式模拟。同时，对于部分搭载阶段安装的设备，根据力的等效原理将上述设备的质量以质量点的形式分配到相应的节点上[6]。最终得到的艉部船体有限元模型（含临时支柱）见图3，整个模型共包括174368个单元、88627个节点及7个MPC。

1.2 边界条件和载荷

1.2.1 边界条件

在搭载阶段，船体直接搁置在坞墩上，同时在必要的位置处设置临时支柱。底部的坞墩通常为钢制结构，可将其视为刚性体，因此根据坞墩布置图对坞墩布置处的节点施加平动约束，对临时支柱的底部节点施加平动约束。对模型首端节点施加平动约束，区域距离艉部较远，边界条件对艉部船体下沉变形的影响有限，所施加的约束主要用于防止船体出现刚性位移。

1.2.2 计算载荷

在计算分析中，主要考虑船体结构和艉跳板等滚装设备自身的重力，忽略分段和设备吊装落位时瞬间的冲击力。对整个有限元模型施加g=-9.8 m/s2的重力加速度，以模拟重力载荷。考虑到艉跳板在安装时是以垂直合拢的状态搁置在2个主铰链上的，其重力载荷主要通过主铰链传递给船体结构。根据设备厂商提供的艉跳板质量和重心参数计算每个主铰链所需承担的艉跳板自重载荷，以集中力的形式加载于主铰链处。

1.2.3 分析工况

艉部船体在搭载阶段的建造过程主要分为3个阶段。

1) 船体搭载成形：根据搭载网络图，按序进行艉部船体搭载，在预装舵套筒的ABZ01总段搭载定位时，需根据预报结果设置下沉反变形量。在该阶段，应严格按照焊接工艺施工并进行船体精度监控，以防止船体产生过大的焊接变形（这里不考虑焊接对船体变形的影响）。随着船体逐步成形，临时支柱对艉部船体起到一定的支撑作用。

2) 临时支柱拆除：待船体焊接基本完成、整船具有连接刚度之后拆除临时支柱，此时艉部伸出主船体的船体结构会因临时支柱拆除而产生下沉变形。

3) 滚装设备安装：根据该船建造技术要求，需在艉跳板和艉门等大型滚装设备安装完成之后进行照光。重达数百吨的滚装设备将使得艉部船体进一步下沉。

对应于上述搭载过程，分别计算艉部船体在船体搭载完成、临时支柱拆除和滚装设备安装等3个工况下的变形。各工况中的边界条件和载荷分布见表1。

表1 各工况中的边界条件和载荷分布

1.3 计算分析结果

采用MSC. Nastran软件计算得到各工况下艉部船体的变形情况，限于篇幅，此处只显示艉跳板等滚装设备安装之后艉部船体的整体变形情况（即工况3，见图4）。通过分析可知，随着搭载过程的持续，艉部船体产生一定程度的下沉变形，进而导致舵套筒发生一定程度的位移变化。

通过对比艉轴管尾端中心点（图1中C点）和舵套筒下端中心点（图1中A点）这2个关键节点在各工况中的位移变化来分析艉部船体下沉对轴舵系相对位置变化的影响。表2为艉轴管尾端中心点在各工况中相较于搭载初始值的位移变化值。由表2可知，在整个搭载过程中，艉轴管尾端中心点位移变化很小，各方向位移总的变化值均＜1mm。这主要是因为艉轴区域多为铸钢件结构，船体外板较厚，构件布置较密，总体而言该区域船体结构的刚度较大，加之坞墩支撑布置较密，坞墩支撑区域距离艉端端面很近，导致艉轴区域的船体局部下沉变形极小，在工程实践中几乎可忽略不计。

表3为舵套筒下端中心点在各工况中相较于搭载初始值的位移变化值。由表3可知：

1) 在船体搭载完成之后，舵套筒下端中心点垂向位移的变化为1.2mm；临时支柱拆除之后，该点位移由1.2mm增加至10.9mm；滚装设备安装之后，该点位移由10.9mm增加至13.2mm；在整个搭载建造过程中，该点垂向总位移变化值为13.2mm。

2) 在船体搭载完成之后，舵套筒下端中心点纵向位移的变化值为0.6mm；临时支柱拆除之后，该点位移由0.6mm增加至4.5mm；滚装设备安装之后，该点位移由4.5mm增加至6.1mm；在整个搭载建造过程中，该点纵向位移总变化值为6.1mm。

3) 在整个搭载过程中，舵杆下端中心点左右偏移的程度很小，最终位移仅为0.4mm。因此，在船体搭载过程中可忽略不对称船体和滚装设备对船体左右偏移的影响。

4) 由于存在临时支柱的支撑，在船体搭载成形阶段，艉部船体受自身重力影响产生的下沉变形较小；而临时支柱拆除之后，船体结构自身质量是造成艉部船体下沉变形的主要原因。此外，滚装设备也会加剧船体的下沉，但其影响明显小于临时支柱拆除之后船体结构自身质量的影响。

表3 舵套筒下端中心点在各工况中相较于搭载初始值的位移变化值 mm

2 实船建造跟踪测量

通过分析艉轴孔尾端中心点和舵套筒下端中心点的位移变化趋势可知：由于船体的刚度较大且存在有效的支撑，轴系区域船体在整个搭载过程中的下沉变形较小；舵系区域船体在建造过程中产生明显的下沉变形。因此，在对该集滚船首制船预装舵套筒的ABZ01艉部大总段进行搭载定位时，施工人员根据舵套筒下端中心点的位移变化值设置相应的船体下沉反变形量。精度管理人员专门在舵套筒下端中心点处布置全站仪测量反射贴片，并在船坞坞底标记好参考线，用于后续对舵套筒下端中心点在整个搭载过程中的位移变化进行跟踪测量。

为降低温差、环境和设备等因素的干扰，保证跟踪测量数据的精确性，每日由专人在固定时间采用相同编号的全站仪，以船坞坞底参考线为基准对舵套筒下端中心点的位移进行测量并及时记录测量数据。对舵套筒下端中心点在各工况中相较于初始定位时的位移变化测量值进行整理，结果见表4。

表4 舵套筒下端中心点在各工况中相较于初始定位时的位移变化测量值 mm

3 计算预报值与实测值对比

按船体坐标轴对舵套筒下端中心点位移变化的计算预报值和实测结果进行分类整理，结果见图5。根据对比分析结果，有限元计算分析能在船长方向上和型深方向上比较精确地模拟艉部船体在搭载过程中的下沉趋势，但在船宽方向上仍存在一定的模拟偏差。具体对比结果如下：

1) 在船长方向上，有限元预报的位移变化趋势与实测值基本一致，有限元预报该点相对于搭载初始状态的纵向位移变化为6.1mm，而实测值为6.8mm，两者比较接近。

2) 在型深方向上，有限元预报的位移变化趋势与实测值基本一致，有限元预报该点相对于搭载初始状态的垂向位移变化为13.2mm，而实测值为13.7mm，两者比较接近。

3) 在船宽方向上，有限元预报结果显示该点在搭载过程中沿船宽方向的横向偏移很小，但根据实测结果，在拆除临时支撑和安装滚装设备之后，该点出现较为明显的向左舷偏移的现象，但实测值仍在精度标准所允许的范围内，能满足工程实践要求。

对于船宽方向上的偏差，初步分析可能是由以下2方面原因造成的：

1) 实测数据的测量精度容易受干扰，其中既有测量设备的影响（全站仪理论精度为±1mm），也有温度、周边振动等因素的影响。

2) 龙门吊在吊运艉跳板和艉门等滚装设备，辅助滚装设备安装调试时，需重复起吊移位以调整设备的位置，滚装设备与船体之间存在一定的冲击载荷，且载荷偏离船体中心线，导致船体产生横向变形，如仅考虑滚装设备自身的重力可能并不能完全反映艉部结构所受载荷。此外，艉部共布置有3个通向各层甲板的车辆通道，加上此时水密门及艉门等滚装设备并未安装调试完成，艉部缺少完整的横舱壁，整个艉部类似于一个框型结构，扭转刚度相对较小，容易发生横向扭转变形。

上述2方面因素对横向位移的影响要大于对纵向位移和垂向位移的影响，将通过跟踪后续船舶的测量数据，进一步分析造成横向偏差的主要原因。

4 结 语

本文对某集滚船的艉部船体在搭载过程中的下沉变形进行有限元计算分析，为艉部船体搭载定位时设置下沉反变形量提供技术参考。通过分析，得到以下结论：

1) 在船体搭载过程中，艉轴管区域船体结构的刚度较大，加上坞墩布置较密，该区域船体下沉变形较小。舵系区域船体在船体搭载过程中产生明显的下沉变形，继而使舵杆位移发生变化，影响轴舵系的照光精度。

2) 由于存在临时支柱的支撑，艉部船体在船体搭载成形阶段受自身重力影响下沉变形较小，而临时支柱拆除后船体结构自身质量是造成艉部船体下沉变形的主要原因；滚装设备也会加剧船体的下沉变形，但其影响明显小于临时支柱拆除后船体结构自身质量的影响。

3) 有限元计算分析可比较精确地模拟艉部船体在纵向和垂向上的变形趋势，而关于横向变形的模拟存在一定的偏差，这主要是因为未有效考虑设备吊装冲击载荷等其他因素的影响，而艉部船体的扭转刚度较小导致这些因素对横向偏差的影响较大。

随着创新设计的船舶日益增多，这些新船型对精度控制的要求更高，可能面临艉部船体下沉分析与控制问题，本文所采用的方法可为今后新船型艉部船体下沉变形计算分析预报提供技术参考。

[1] 国防科学技术工业委员会. 中国造船质量标准：CB/T 4000—2005[S]. 2005.

[2] 陈彦斌. 船舶建造中船体变形的预防及矫正[J]. 上海造船，2009 (4): 60-61.

[3] 刘志刚. 船舶焊接变形的控制与矫正[J]. 船海工程，2002 (1): 19-20.

[4] 周宏，罗宇，蒋志勇. 基于固有应变的船体总段船台合拢焊接变形预测研究[J]. 船舶力学，2013, 17 (10): 1153-1160.

[5] 周德寿，王佳颖，万忠.船体搭载坞墩枕木下沉预报与实测分析[J]. 船舶与海洋工程，2015, 31 (3): 22-27.

[6] 陈铁云，陈伯真. 船舶结构力学[M]. 北京：国防工业出版社，1984.

Prediction and Measurement Analysis on the Stern Hull Sinkage of a CON-RO Vessel in Erection Stage

WAN Zhong，WANG Jia-ying，YANG Li-zhi

(Hudong-Zhonghua Shipbuilding (Group) Co., Ltd., Shanghai 200129, China)

Taking a CON-RO vessel as the research objective, the stern hull sinkage deformation in erection stage is analyzed and predicted with the finite element calculations and the measurement on site. The result of the comparison between calculation and measurement shows that the finite element calculation can simulate the stern hull deformation trend in longitudinal and vertical directions with good accuracy, but there is discrepancy in the transversal direction. The factors behind the discrepancies are analyzed. The finite element calculation method would provide technical reference for the prediction of stern hull sinkage deformation of similar ship products.

CON-RO vessel; stern hull sinkage deformation; finite element analysis

U661.4；U667.13

A

2095-4069 (2017) 05-0009-06

10.14056/j.cnki.naoe.2017.05.002

2016-05-10

工信部高技术船舶科研项目（Z1212E01）

万忠，男，工程师，1988年生。2010年毕业于上海交通大学船舶与海洋工程专业，现从事船舶结构设计与计算分析工作。