弹性支撑简化方案对舰船纵向下水载荷计算的影响

2018-07-25周艳秋梅永娟

船舶与海洋工程 2018年3期

周艳秋，梅永娟

（中国舰船研究设计中心，上海 201108）

0 引言

舰船下水是在舰船建造达到一定阶段之后将其从建造船台移至水中的建造过程，是船舶建造的重要组成部分。舰船下水可采用多种方法，当前最常见的方法是纵向重力下水，即船舶在自身重力的作用下沿船台倾斜滑道滑至水中。舰船下水过程是一个复杂的动力问题，涉及舰船的浮性、稳性、阻力、摇摆及强度等一系列因素，而实践证明，采用静力学观点处理下水问题所得结果与实际情况很相近，且计算比较简单[1]。向溢[2]等对船舶下水计算的一些方法进行了初步的探讨，潘伟[3]等针对82000DWT 散货船下水计算及工艺进行了阐述，顾永宁[4]结合实例提出了船舶弹性下水计算方法，吴祥虎[5]等提出了船舶纵向下水配载优化数学模型，开发了基于MATLAB 的船舶纵向下水配载优化程序。目前为止，采用有限元软件计算预报下水全过程中船体总弯曲外力及每一对支墩反力的数值与变化, 并进而实现船体总强度与局部强度的校核的文章较多。本文在前人的基础上，采用ANSYS有限元软件，对舰船的危险状态的下水支撑结构的有限元模拟方法进行了多方案的计算研究，结合计算方案对总弯矩力矩外载荷的影响进行分析，进一步提出了下水支撑方案的设计建议。

1 下水过程的力学分析

舰船在下水时，船体承受的作用力[6]主要有：

(1) 船体和下水装置的重力，在下水过程中保持不变，并可用重力曲线来表示。

(2) 浮力，即船体浸水部分和下水装置的浮力，在舰船下水时其数值和分布规律是实时变化的，但在每一瞬间可通过计算得出数值并绘制浮力曲线。

(3) 下水过程对船体梁的反力，分布于与下水基础接触部分的船长上。下水过程中反力的大小和分布规律是变化的，支反力瞬时值与重力和浮力的合力瞬时值大小相等、方向相反。

进行下水计算的目的是当上述急剧变化的力在舰船下水过程中对船体产生最不利的作用时对船体的强度进行校核。由于上述力的变化，舰船在下水时产生以下2种最危险的状态[3]。

(1) 由船体悬伸部的船体重力引起的中拱变形，即当船体的重力和浮力的合力最靠近滑道末端时，产生船体最大支反力的中拱变形状态；

(2) 当船体开始上浮并绕下水滑道艏支点（艏支架或艏横梁）旋转时，产生艏支点最大支反力的中垂变形状态。

在下水计算过程中，应考虑这2种最危险状态进行船体总强度与局部强度的校核，本文结合有限元计算方法进行支撑结构多种简化方案的计算，深入分析了支撑结构对总弯矩力矩的影响。

2 有限元模型的建立

分别对下水过程中的2种临界状态进行检验计算，在计算过程中，船体结构采用BEAM188梁单元模拟，下水支撑结构（墩木、横梁等）采用 combin14模拟，船体和设备的重量及其在不同状态（中拱和中垂）下的浮力作为外载荷均布加载在梁单元上。

在外载荷的加载问题上，船体和下水装置的重力在两种位置是不变力，分别分配在各站之间，简化为站间均布力进行加载；浮力在下水过程中，数值是变化的，但在两种位置的浮力是可以计算得出（见图 1），算出站间浮力简化为均布力进行加载；对于下水过程中，承受的第三部分下水基础的反力，由于每一瞬间都是变化的，分布规律与下水基础刚度有很大关系，结合实际情况，本文将下水装置简化为弹簧单元 combin14进行建模，利用刚度系数反应支撑结构的刚度，进而对下水基础的反力进行模拟，弹簧的下端即实际情况的下水装置下端按刚固边界条件处理，对船体部分则简化为梁模型，由于弯矩是外力，与船体梁的剖面惯性矩没有关系，因此建模过程中，只要惯性矩能保证船体梁的变形在ANSYS软件的允许范围内，能进行静力计算即可，本文将船体均简化为半径为2m的beam188单元建模计算。

图1 重力浮力曲线图

在中拱变形的有限元模型简化过程中，由于此刻船体梁有一部分已进入水中，因此只需对悬伸部以外的下水支撑利用 combin14单元进行模拟建模即可，本文对下水装置的支撑作用做了两种简化处理，方案一是算出一段的支撑系数之和，然后在每一站之间简化为5根弹性系数相等的弹簧进行建模（见图2），方案二在算出一段的支撑系数之和后，简化为一根弹簧进行模拟建模（见图3），两种方案相比，第二种方案建模更加简单，计算量相对较小。

图2 中拱有限元模型1

图3 中拱有限元模型2

在中垂变形的有限元建模过程中，由于此刻船体开始上浮并绕下水滑道上端（下水铰）回转，因此此时只有艏端点具有支撑作用，建模过程中，只需利用弹簧单元combin14模拟首支点的支撑即可（见图4）。

图4 中垂有限元模型

3 计算及分析

3.1 中拱支撑系数的影响

3.1.1 采用方案一时支撑系数对弯矩剪力的影响

在计算下水船体外载荷时，首先在各站施加5根弹簧支撑，然后结合实际情况计算出船体在一定距离内的强度之和，对平均分布在这段距离上的弹簧单元进行简化计算，弹簧单元简化方式1见图5，图中不同颜色代表不同刚性系数，从右向左的刚性系数值见表1。

图5 弹簧单元简化方式1

表1 刚性系数值单位：kN·m

为探讨弹簧系数对舰船下水弯矩的影响，以实际情况（表1刚性系数值）计算所有弹簧系数，然后分别计算弹簧系数为 5.71E03，5.71E04，5.71E05，5.71E06，5.71E07，5.71E08，5.71E09，5.71E10，5.71E11，5.71E12等 10种情况下的弯矩，全船弯矩计算结果对比见图6。

从图5中可看出：当将弹簧系数简化为均布支撑时，弯矩最大值随着刚性系数的增大而减小，产生最大值的位置也向艉部移动，弯矩值降低幅度也随之加快；当支撑的刚度系数增大到一定程度时，弯矩最大值即发生在艉部第一个支撑位置处，在第一个支撑位置之后弯矩值急剧下降，在有些位置处弯矩值出现负值。本文所计算实例的支撑技术介于5.51×107与5.51×108之间。此外，从图6中可看出其弯矩值曲线也位于这2条曲线之间。