船舶坞墩下水的结构分析及优化

步林鑫， 王淑颖， 张莉莉， 舒 雅

(江南造船(集团)有限责任公司，上海 201913)

0 引 言

船舶下水是船舶建造周期的一个重大节点，方式通常为重力式下水、船坞下水、气囊下水和浮箱下水等。船坞下水通常会占用较多的船坞周期，但安全性相对较高，对船体结构冲击较小。

在船坞下水前，全船在船坞中进行总段合龙。在整个过程中，全船各总段包括合龙后的全船均坐在坞墩上。为控制船舶的整体变形和建造稳定性，艉部增加托架支撑，船体两侧设置支柱支撑，全船的变形及应力水平处于良好状态。

在船坞下水过程中，由于在船舶出坞时，艉部托架及舷侧支柱处于船舶出坞路线上，与船舶发生干涉碰撞，因此需要提前对支撑结构进行拆除。此时，船体支撑结构大幅减少，特别是艉部刚度较差，其下垂变形明显增加，而较少的接触面积和支撑结构导致船体与坞墩接触区域应力增大，坞墩受力增大，整个系统的安全性存在一定的风险。为此，在某船船坞下水前利用数值仿真技术，对其船坞下水过程进行模拟计算，校核其结构强度及变形安全性，并对其下水方案进行适当优化。

1 船舶坞墩下水模拟

1.1 计算方法

船舶下水计算方法一般分为规范计算、一维梁简化计算及全船三维有限元计算。

在规范计算中规定船舶坐坞时的船体总纵强度、局部强度和坞墩强度计算方法，但对于坞墩面积有限的大型船舶，难以满足坞墩载荷和艉部内龙骨强度校核要求，规范计算偏于保守[1]。

一维梁简化计算将全船模拟为一维梁，根据坞墩各横剖面的布置情况，计算得到各横剖面坞墩合成的刚度系数，通过弹簧将船体与坞墩连接，可快速得到全船下水时的各横剖面坞墩受力分布及全船变形情况，工作量较小，但对各剖面弹簧刚度系数合成计算精度要求较高，且无法模拟具体坞墩受力及船体局部应力分布[2]。

全船三维有限元计算工作量较大，但通过对全船及坞墩模型的建立，可满足船舶下水及优化过程中的全船变形、坞墩受力和局部应力等多方面计算需求，且单个坞墩刚度系数模拟精度较高、误差较小。

在时间充足的前提下，计算选择全船三维有限元计算方法。

1.2 力学模型

船舶坞墩下水模拟为准静态计算，通过建立船舶有限元模型及模拟坞墩布置，将两者通过弹簧连接，模拟船舶下水的某个瞬间，根据计算得到的坞墩支反力及船舶应力分布和变形，判断坞墩方案的可行性。

建立全船有限元模型，通过几何模型确认坞墩布置[3]，以便在模拟坞墩时位置准确。坞墩布置如图1所示。坞墩全部为水泥墩，根据公司相关部门提供的数据，其最大承载力不超过200.0 t。利用弹簧单元模拟坞墩与船体之间的软硬木，通过多点约束(Multi-Point Constraint，MPC)刚性单元连接船体及弹簧。MPC刚性单元(局部)如图2所示。认为水泥墩在其支反力不超过衡准的前提下，变形忽略不计，因此在模拟时，将弹簧底部节点刚性约束即可。为得到较为精确的计算结果，对船体与坞墩接触的区域进行网格细化与优化，尽可能保证四边形网格，细网格尺寸为100×100。船体与坞墩接触区域细化如图3所示。

图1 坞墩布置

图2 MPC刚性单元(局部)

图3 船体与坞墩接触区域细化

2 工程应用分析

2.1 船体结构变形

船体变形通过其自重产生，变形分布受船体质量分布、船体刚度及坞墩布置的影响。艏部和艉部通常质量较大且刚度较差。由于线型收窄，在艏部和艉部布置的坞墩数量有限，因此可提供的支撑有限。船体有限元模型通过MPC刚性单元与弹簧上部连接，弹簧底部则认为是变形可忽略的水泥墩，因此刚性约束。弹簧刚度系数由坞墩上方的软硬木组合决定，MPC刚性单元在受压过程中不会变形，因此其尺寸大小不影响计算结果。弹簧刚度系数输入正确即可，其尺寸大小不影响计算结果。软硬木参数如表1所示。根据软硬木的刚度系数，通过如下公式，求得软硬木组合的合成刚度系数[4]：

(1)

(2)

式(1)和式(2)中：K为材料刚度系数；E为材料弹性模量；A为接触面积；K软为软木刚度系数；K硬为硬木刚度系数；K总为软硬木组合刚度系数。

表1 软硬木参数

坞墩与软硬木的组合及其有限元单元的模拟如图4所示。

图4 墩木组合及其有限元模型

船体与支撑系统建模并连接完成，对整个系统施加重力，使全船在重力作用及坞墩支撑下自然变形。全船变形趋势符合坞墩支撑情况：艏部和艉部质量大、支撑少，变形比较明显；中部支撑较多，变形较小。艉部存在舵、轴和桨等结构，为避免船舶出坞时的干涉，艉部支撑较少，下垂变形值最大，接近50 mm。艏部变形接近8 mm。通过增加少量支撑可缓解艏部变形。根据规范，艉部变形量小于全船总长的1/600，且通过与总体、工艺、相关专业及现场部门的沟通，认为50 mm变形量可接受。因此在当前工况条件下，艉部应力分布及坞墩支反力未着重考察。艉部下垂变形如图5所示。

图5 艉部下垂变形

2.2 坞墩支反力

影响坞墩支反力的主要因素包括船舶的质量分布情况、某横剖面的坞墩数量及坞墩与船体之间软硬木的刚度系数。通过对船舶质量分布及软硬木刚度系数的准确模拟，可得到坞墩支反力的分布情况，如图6所示。由图6可知：出现部分突变点，其坞墩支反力较大。主要原因在于：突变点肋位的坞墩布置为多排墩，包括横向三排墩、横向五排墩、横向七排墩及横向九排墩，各墩受力总和较大[5]。将所有坞墩支反力求和，等于船舶自重，因此认为船舶下水模拟方法正确，结果较为合理。

图6 坞墩支反力分布情况

艉部线形收窄，基本为单排墩，部分坞墩支反力>200.0 t，超过坞墩承受极限，在下水过程中较易导致水泥坞墩碎裂，失去支撑作用，使周边坞墩受力突变，出现连锁破坏现象。因此需要通过方案调整，缓解坞墩支反力，使其下降至衡准以下，保证水泥墩安全。坞墩支反力(部分)如表2所示。

表2 坞墩支反力(部分)

2.3 船体结构强度

由船舶应力分布情况分析可知：船体结构应力超衡准的区域主要集中于后半船至艉部区域，符合坞墩布置及支反力分布规律。艉部应力分布情况如图7所示。最大应力为511.3 MPa，出现在某横向强框的坞墩边缘与船体结构接触位置的肋板上。该点出现最大应力的原因在于：该点处于坞墩边缘，与船体结构剪切，形成硬点。

图7 艉部应力分布情况

根据材料衡准，筛选艉部应力超衡准位置，多集中于中纵及外板与底板拐点处，如图8所示。除典型的坞墩与船体的接触硬点外，船体结构中部出现部分应力较大的点，原因则为结构强度较差。

图8 艉部应力超衡准位置

由初步计算结果分析可知：在原始坞墩布置方案中，由于坞墩数量布置有限，而艉部自重较大，且艉部底部船体线型收窄，因此出现局部区域坞墩支反力及结构应力均超衡准的情况。结构应力超衡准的位置主要集中于坞墩与船体接触的边缘，是较为典型的硬点，如图9所示。应考虑优化坞墩布置，其余结构强度不足导致应力过大的情况，则考虑对结构进行加强。

图9 结构硬点

3 方案优化

基于上述情况，对船体结构及坞墩布置方案进行优化。优化方向为增强结构强度、分摊坞墩支反力及消除硬点。方案优化如下：

(1)艉部区域半档位置新增横向T排，增强结构强度，如图10所示。通过增加横向T排，将局部区域形成密集框架，增加该区域的刚度和强度。

(2)新增坞墩数量，分摊单个坞墩支反力，如图11所示。由于仅考虑水泥墩的支反力衡准，因此在局部范围内增加水泥墩数量。在船体质量分布固定的情况下，局部区域质量有效分摊至各水泥墩，保证水泥墩支反力在其衡准内[6]。

(3)坞墩上方增加软硬木组合数量，扩大坞墩与船体接触面积，消除硬点，如图12所示。通过满铺软硬木组合的方式，使船体结构与木块充分接触，硬点转移至木块，而木块在下水过程中变形或破损可接受。

图12 增大坞墩与船体接触面积

通过结构加强，增强结构强度刚度；通过坞墩布置优化，消除硬点。艉部应力分布情况明显得到改善，最大应力为334.0 MPa，小于材料衡准。由于船舶质量分布未变，分摊至某肋位的质量未变，因此通过增加坞墩数量，可有效分摊单个坞墩支反力，保证坞墩支反力小于衡准。

4 结 语

通过全船有限元分析，可有效预报船舶坞墩下水的全船变形趋势、船体结构应力分布情况及各坞墩支反力。根据数据分析及与衡准对比，可预判坞墩布置方案的问题及船体结构的薄弱区域，有针对性地对局部区域进行加强和方案调整，提高船舶下水过程的可靠性。

通过对坞墩和软硬木块的合理模拟，可有效预报船舶下水过程中的各项数据，并在方案设计阶段即可对方案进行优化布置，减小后期的风险和人力与资源的投入，不仅可保证船舶安全下水，而且可节约一定的经济成本。