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第18卷 第10期 中 国 水 运 Vol.18 No.10 2018年 10月 China Water Transport October 2018收稿日期：2018-05-01作者简介：Aleksandar Dordevic（1987-），男，塞尔维亚人，上海交通大学研究生，工学硕士，船舶设计与制造。
顾解忡（1962-），男，江苏人，上海交通大学副研究员，工学博士，研究方向为浮体运动学。
船舶纵向下水运动计算新的应用方法Aleksandar Dordevic，顾解忡（上海交通大学，船舶海洋与建筑工程学院，上海 200240）摘 要：船舶纵向下水是一种被广泛采用的传统下水方法。
纵向下水关注艏艉跌落的发生和艏支架最大压力。
根据船舶三维设计的发展趋势，在传统纵向下水的基础上，本文提出了一种改进的下水计算方法。
下水过程中涉及的船体瞬时湿表面积、排水体积、浮心位置和浮力矩等物理量采用基于NURBS 船体曲面的精确计算方法进行计算，给出了下水过程中船舶移动速度和加速度与下水行程之间关系的计算公式，实际开发了MatLab 下水计算程序。
在此基础上，对一艘3,100箱集装箱船具体开展了下水计算，结果表明，艏艉跌落并未发生，支架最大压力在合理的安全范围以内。
此外，计算得到的湿表面积和排水体积与商用软件的计算结果符合一致。
关键词：NURBS；IGES；船舶纵向下水；MatLab中图分类号：U671.5 文献标识码：A 文章编号：1006-7973（2018）10-0001-05引言船舶下水是船舶建造过程中的一个重要环节，是一个复杂的动力学过程，向来受到高度重视。
常用的船舶下水方式有纵向下水、横向下水和浮船坞下水。
其中最传统的是重力式纵向下水，把船舶置于向水面倾斜的滑道上，在船舶自身重力的作用下沿滑道自动滑入水域，整个下水过程可以分为起动、入水、艉浮、漂浮共四个阶段[1]。
下水计算是指通过计算事先掌握下水过程中船舶的行程、速度、加速度、纵倾角等物理量的变化过程，由此评估下水过程中包括结构安全性在内的各项性能。
上 海 交 通 大 学 学 报第30卷第10期JO URN AL O F SHAN GHAI JIAO TON G UN IV ERSITY Vol.30№101996船舶纵向下水弹性计算方法和结构安全性顾永宁(船舶及海洋工程系)摘 要 为保证船舶下水过程中的结构安全,提出了一种船舶弹性下水计算方法.考虑船体的弹性弯曲、船底结构局部弹性变形、墩木与滑道的弹性压缩,用有限元方法计算任一下水位置时船体的姿态和变形,通过系列计算可预报下水全过程中船体总弯曲力矩、切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.文中介绍了一个计算实例并对下水安全性进行了讨论.关键词 船舶下水;船舶结构强度;安全性中图法分类号 U671.50 引 言船舶取消前支架下水是我国造船工业70年代的一项重大工艺革新成果.当时进行了系列的实船测试[1],验证了新工艺的安全性.此后一段时期的生产实践证明无前支架下水对船体和船台都是安全的,但是没有形成相应的科学计算方法.目前,建造的船舶载重吨位已从当年的2～ 2.5万t级提高到6～7万t级,下水过程中船体与船台受力比以往大幅度提高,并且已经多次观察到下水后船底局部结构受损的现象.因此大型船舶在下水作业过程中船体结构的安全性问题,应重新引起重视.目前国内设计与生产部门对船舶下水工艺的计算,仍沿用传统的刚性船体计算方法[2],基本观点是将船体与船台(包括滑道与墩木)都处理为刚性体,以重力与浮力矩作为判断船体起浮的依据,一旦浮力对艏支点的力矩超过重力矩,船体后部即与船台脱离,全部反力集中到艏支点一点处.为了避免高估艏部结构受力,目前一些工厂按经验方法将该反力分布到艏部1/10船长处来评估结构的安全性,这一评估显然是相当粗略的,不能适应现代船舶建造质量控制高标准的要求.实际上,为了保证船舶下水过程中的结构安全,预先采取有效的技术措施,应全面科学地预报以下现象:(1)下水全过程中船体总纵弯矩与剪力的分布与变化情况,船体受到的最大总弯曲应力和剪切应力;(2)下水全过程中,各个(对)支墩对船底的作用力的数值及其变化情况,特别是滑行初期 收稿日期:1996-02-15 作者:男,1939年生,教授.上海,200030.船台末端对船体的反力及滑行后期艏支持区的支墩反力值; (3)船底局部结构在下水力作用下有无屈服和失稳可能;(4)船体在滑行中与船台的接触与脱离情况,判断有无艏跌落现象;(5)滑道与船台受力的情况,最大压力值与位置.由于传统的刚性船体下水计算方法基本上不能准确回答上述任何一个问题,因而需要利用近年来发展成熟的结构计算技术,研制新的下水计算方法与工具.1992年作者应上海几家船厂的要求,开发了船舶弹性下水计算方法和实用工程软件,至1995年底已先后用于5艘大型船舶的下水力计算,均获得满意的结果.1 船体下水弹性计算方法1.1 船舶下水状态与力的平衡常规下水方式为艉先下,以下的文字叙述都参照这种方式,如采用艏先下水方式,下水中的艏、艉术语应作调换,且以下称艏第一对支墩位置为艏支点.考察船体在下滑过程中的一个瞬刻,此时船体已经滑行了一段距离,称为滑程S ,船艉已经浸水,船体在以下诸力的作用下平衡:(1)下水空船重力.为已知数据,根据空船结构质量、已安装的设备部件质量及压载水质量沿全船的分布给出按肋位分布的质量数据及质心位置纵坐标;(2)浮力.作用在艉部已浸水部分,根据计算确定的艏、艉吃水,用邦金曲线计算出浮力的分布、总浮力值及浮心位置;(3)船底支墩反力.下水支墩从艏部某一肋位起,每档或隔档设置至艉部某一肋位止,在某一瞬刻位置,可能艉部部分支墩已与船底脱离,凡仍与船体接触的支墩,均向船底提供支反力,需由计算求出;(4)运动惯性力和底部摩擦力.船体加速滑行引起的惯性力施加于船体每一个质点上,但其作用方向是与滑道平行的,摩擦力也在平行于滑道的方向.将以上作用力分解为垂直于滑道及平行于滑道两部分分量,后者不引起船体弯曲和局部变形,不作为考察目标而予以略去,因此仅前3项的垂直于滑道的分量为考察对象,它们组成垂向力及力矩平衡力系.1.2 船体及其下部支持结构的弹性变形及船体与船台(支墩)的接触船体是一个等效的弹性变断面梁,在分布的重力、浮力及支墩反力作用下,船梁在垂直平面内呈现弯曲的形态.船体通过船底局部结构、船底支墩、滑道板支持在船台结构上.在重力作用下,船台结构、滑道板、支墩产生垂向压缩变形,船底板架在压力下亦产生凹陷变形,所有这些变形成为船梁中心线下的弹性支持,每一对支墩及其上、下弹性结构等效于一根串联弹簧,如简化为线性弹性关系,则串联弹簧的刚度K 符合下式:1K =1K 1+1K 2+1K 3(1)式中:K 1为一对(左,右)支墩长度范围内的船台刚度;K 2为一对支墩及其下滑板的垂向刚度;K 3为支墩处船底板架的局部刚度.由于船台为钢筋混凝土结构,K 1远大于K 2和K 3,因此式(1)等号右边第一项可略去.K 2可由现场试验取得或按每一对支墩的楞木尺寸、高度、材质计算出来,即105顾永宁:船舶纵向下水弹性计算方法和结构安全性K2=E A/H(2)式中:E为楞木的弹性模数;A为墩木垂向投影面积;H为墩木及滑板总高度.K3由船底板架计算求出,在船底板架计算模型上,分别在各个支墩位置施加单位力,计算图1 弹性滑道上的弯曲船梁与计算模型力作用点处的挠度,即可算得一组K3值.对于不同的仓底,不同的肋位,K3值是不同的.下水船体与船台(支墩)的接触,是一根弯曲的梁座落在密布的弹性基础上,其接触区和接触力的分布除取决于外力外,还取决于梁的变形曲线和弹簧沉陷情况,如图1所示.1.3 船舶下水滑行和起浮过程船舶下水滑行的初始阶段,艉部浮力尚不足以克服艉部重力抬升船体,此时全部支墩与船底接触,船梁的计算即为具有确定弹性支座的变断面梁弯曲.随着滑程增大,浮力增大到一定程度,艉部抬升,末端第一对支墩首先脱离,随后自艉向艏各对支墩逐渐脱离,直到剩下艏支点附近的少数支墩保持接触.最后随着船体的整体起浮,第一对艏支墩脱离.此时艏支墩应仍位于滑道末端之前,否则即为艏跌落.因此船体与滑道的脱离是一个从艉向艏逐渐分开的过程,船底反力作用区域、力的大小和分布是不断变化的.在这一阶段,任一滑行瞬刻的位置,存在着一个唯一正确的艉吃水值,在该吃水值下,船体的浮力、重力及支墩反力达到精确平衡,船体的变形与支墩的接触状态和上述力的平衡相协调.1.4 船舶弹性下水计算模型与计算过程根据上述原理可建立船舶弹性下水计算模型,将船体全长模型化为变断面梁,并以有限元方法的梁单元模拟,可将船体自艏至艉精细划分成一系列梁单元,例如取每一肋距为一个梁单元,则船体梁成为200多个节点和分段的有限元连续梁,每一梁元的截面特性按所在位置的船体横截面计算决定.船体下方的弹性支持模型化为各个独立的线性弹簧,按支墩的实际布置位置,设置在梁元节点下方,每一个支墩弹簧的刚度按式(1)算出.船体重力施加在梁元节点上,如船梁按肋距分割,则节点重力载荷正是按肋位分布的船体重量.建立参考坐标系,坐标原点设于艏柱与基线的交点处,x轴自艏向艉平行于滑道,y轴垂直于滑道表面指向下方,得到如图1所示的计算模型.下水计算应从船体滑行的一系列位置进行,例如每滑行5m或10m为一计算位置,直至船体全浮.在一个确定的滑行位置处,艏支点、滑道与静水面处于一定的相对位置.在一个确定的艉吃水下,以每一肋距作为一个船体切片,根据邦金曲线计算其获得的浮力,将其施加到梁节点上并汇总,可得总浮力、浮力分布及浮心位置.用有限元方法可以计算出弹性支座上的船梁在重力与浮力作用下每一节点的位移、弹簧沉降、弹簧反力(即支墩反力)以及船梁每一截面处的弯矩与切力.通过迭代计算,可以找到一个正确的艉吃水值,使船体力的平衡条件及弹簧支座接触状态的协调性获得足够精确的满足,得到正确的瞬时下水状态.在完成下水全程系列计算后,可得到船体总纵弯矩与切力图谱及船底反力图谱.据弯矩图106上 海 交 通 大 学 学 报 1996年 第10期及切力图的包络线可校核下水船体总强度,据船底反力图可对船底局部结构强度进行校核.1.5 船底局部强度校核选择底部支反力最为严重的情况,取出底部结构进行局部强度计算,可以判断下水船底结构的安全性.比较严重的受力部位是艏部第一货舱,可参照图2的模型用交叉梁系代表船底结构,计算出肋板与纵桁的应力.也可采用更为细致的板壳模型来计算.如果发现船台末端反力数值较大,必要时亦需对相应的仓底进行校核.在规范中并无适用于下水作业的许用应力标准,因为下水是一次性作业,且力的作用时间短,建议将安全系数取为1.0.图2 艏部船底板架计算模型2 实船算例某船两柱间长191m,下水空船质量8130t,在坡度为0.05的滑道上作艉向下水,已知自艏支点起的滑道长度L s =225.1m ,滑道末端浸深H w = 3.5m ,墩木及滑板总高度1.26m ,自229号肋位至18号肋位每档设置.2.1 预备计算取船体艏、艉区,距两端的1/4船长及舯剖面处的5～7个截面,计算船梁截面惯性矩I ,最小剖面模数W 及中和轴以上面积对中和轴的静矩m ,并作出沿船长的I 分布曲线,通过线性插值,得到每一肋位处的船体梁元截面惯性矩.将横仓壁之间的船底结构简化成船底板架有限元计算模型,在每一个支墩作用点施加单位力,求取板架弹性刚度K 3.计算所有货舱底部板架的工作量过大,实例计算表明,对下水力具有实际意义的是艏部第一货舱底部,因此可只计算第一货舱底部板架,获得一系列支点弹簧刚度值,并取仓中部一个较低的弹簧刚度值,近似地用于其他货舱底部各点.由于后部货舱受支反力值相对甚小,过程较短,这种替代对下水力峰值的精度影响甚小.图2为本例艏部第一货舱船底板架计算模型.2.2 下水计算及其结果本例船梁按每档肋距划分,形成249节点248梁元的有限元计算模型,每滑行10m 为一计算状态,在艉部起浮前后加密为每5m 一个计算状态,至滑行175m 全浮止,共22个计算状态.计算表明,本船滑程100m 时艉部开始起浮,滑程105m 时艏支持区出现最大反力值,滑程175m 时全船起浮.对于每一个计算状态,给出了弯矩、切力、支墩反力在每一肋位处的值以及总纵弯矩、切力和底墩反力的分布图,称下水三力图,例如图3为滑行80m 时的三力图,其水平坐标自艏柱起沿船长方向,垂直轴为力坐标.从图上除观察到弯矩M 与切力S 的分布107顾永宁:船舶纵向下水弹性计算方法和结构安全性108上 海 交 通 大 学 学 报 1996年 第10期外,在x=156m处,观察到滑道末端反力峰值,在x=80～148m间支墩反力近于零.从x=80 m向艏有艏支持区反力分布,在x=11.4m处看到艏支点反力已经开始上升.图4为滑行105m时的三力图,此时艏支点反力已集中到一档肋距内,达到其峰值16.84MN.图3 滑程80m时的三力图图4 滑程105m时的三力图 将全部弯矩图汇总,可得下水总弯曲图谱,见图5,其外包络线给出船梁截面在下水过程中经受的最大弯矩,可据以校核各截面最大弯曲应力.同样可得图6的切力谱,本例选择了前后1/4船长及舯剖面处,校核剖面最大切应力,按公式f=N m/(2tI),可计算在船侧板中和轴位置处出现的最大切应力.其中N为总切力值;m为中和轴以上截面静矩;t为侧板厚;I为截面惯矩.最大甲板正应力e=77.2M Pa出现在船舯,最大切应力f=50.4M Pa出现在37号肋图5 下水总纵弯矩谱图6 下水切力谱位处的外板中部.图7 船底支墩反力图谱 综合各位置支墩反力可得图7的反力谱,可观察到各滑程支墩反力的分布、船台末端反力峰和艏支点反力峰.本算例当滑程70m 时出现最大滑道末端反力 2.660MN ,作用在第36号肋位一对支墩上;滑程105m 时支反力集中到艏尖舱壁下的第一支墩,达16.48M N;在滑程175m时全船起浮.当支墩反力集中到艏支点附近时,该区域的船底局部结构容易出现损坏.从下水计算结果中,选出艏部受力最严重的状态,将此时的艏部支墩反力施加到船艏底部局部结构上,用合适的有限元模型进行局部结构分析,可以计算出各块肋板与纵桁内的应力,从而对其进行强度和稳定性校核.对于本例船,滑程100m 时艏尖舱以后的几档肋板受力最大,用图2的板架模型算得此时在板架的A 点处,底板正应力达14M Pa ,肋板切应力达到87.70M Pa ,据此可判断下水安全性和考虑临时加强措施.4 船舶纵向下水安全性通过对多艘船舶下水弹性计算实例分析,可对下水结构安全性概括出以下一些主要观点.(1)下水过程总纵弯矩的外包络线实际上就是下水空船飘浮时的静水弯矩图,该状态通常总比船舶重载或压载时安全,因此下水总纵弯曲强度一般总是富裕的.由于艏支点的作用,切力在此位置有一个峰值.导致剪切应力升高而应于校核,一般情况下,也不致超过许用值.(2)船体起浮是一个逐渐的过程,艏支持区最大反力的出现一般在滑程的中后段,此时艏支点区反力会达到很高的数值,而且集中在很短的区域中.如果艏支点设在艏尖舱壁下,由于其刚度高,艏部反力迅速集中到一点(反力谱图的前部尖削),其后的肋板将受到保护,有可能安全地承受下水力,前面讨论的例船即属此例.某些船舶由于线型狭窄,第一支墩不得不设在艏尖舱壁以后的实肋板上,而且中心线并不总能与纵桁对齐.此时艏部高反力将由少数几档肋板承受,很可能导致肋板剪切损伤,在外底出现永久性凹陷.(3)滑道平整是安全下水的重要保证因素.往往由于峰值艏支点反力的重压,在船台上造成永久性凹陷区.如果存在这种凹陷区,将引起很高的附加下水反力,并可能造成船底结构损伤.这是由于一种过高垫升所引起:设想滑道某处有一幅度为Δ的凹陷,滑行前此处的墩木高度将比正常值高出Δ,当此墩木随船体滑行到船台平整区时,多余的Δ高度将强行顶入船底产生高额应力.如果船体的这一位置正落在滑道末端反力区,则更为危险.(4)下水时潮位过低等同于过短的滑道,如艏支点已滑出滑道而浮力尚未大于重力,将发生艏跌落现象,实际上这种失误极少发生.可能的情况是潮位过低引起艉下挂,产生过高滑道末端反力,可通过本文的计算方法考察末端反力的值,确认安全下水潮位.潮位的高低不影响艏支点的反力值.(5)较软的底部支墩使船底与滑道有更多的触点而利于分散艏艉反力,因此木质墩木较109顾永宁:船舶纵向下水弹性计算方法和结构安全性110上 海 交 通 大 学 学 报 1996年 第10期钢球型滑道有较小的反力峰值.(6)船舶下水是一个复杂的动力过程,如航道的侧流将令船舶水下部分侧移,各支墩的预紧不匀会导致滑行中的非正常脱离和移位,下水滑道左右两侧的受力并非如理论假设的那样均等对称,甚至观察到一侧支墩脱开的现象,所以实际船体下水反力要高出理论计算值,应考虑一定的安全系数.5 结 语现代船舶建造工程应对船舶下水安全性进行严密的科学论证.弹性下水计算方法可以完整正确地预报船体下水全过程的受力历程,提供总强度与局部强度校核的必要资料,从而可以提出有效的工艺措施确保下水作业时的结构安全.致谢 本研究工作得到上海江南造船厂和沪东造船厂的大力支持,特此致谢.参 考 文 献1朱崇贤.取消艏支架纵向下水新工艺的探讨与实船测试.造船技术,1978,(6):1～112周良根,邬明川,谭仲楷,等.船舶设计实用手册,第一分册.北京:国防工业出版社,1966.138～150The Elastic Calculation of Ship Longitudinal Launchand Structural SafetyGu Yongning(Depa rtm ent of Nava l Architecture and Ocean Engineering)Abstract An elastic calcula tion of ship launching has been dev eloped fo r the structural safe-ty of ship during launching o peratio n.The ela stic flexibility of ship hull,the local elastic de-forma tion o f ship bo ttom and the compressiv e elasticity of launching blocks o n ship skid way a re co nsidered in a finite element analysis o f ship hull's bending a nd its floa ting sta te a t any skid positio n.Th e g eneral bending mom ent a nd shear force of ship hull as w ell as the reaction fo rce a t each of suppo rt blocks in the whole launching process can be predica ted by a series of calculatio ns for defferent skid distances.Then,the g eneral and local streng th of ship hull dur-ing launching can be checked.An exam ple of launching calcula tion is presented and the struc-tural safety o f ship launching is discussed to o.Key words ship launch;ship's structural streng th;safety。
中国科技期刊数据库 科研2015年24期 255大型船舶下水风险及对策吴新田池州市港航管理（地方海事）局，安徽 池州 247000摘要：本文首先分析了大型船舶下水的风险，然后详细阐述了大型船舶下水风险的规避方式，即气囊下水方式的相关要点。
关键词：大型船舶；下水；风险；气囊 中图分类号：U671.5 文献标识码：A 文章编号：1671-5780(2015)24-0255-011 大型船舶下水的风险分析船舶的下水方式通常有：船坞下水、纵向船台下水（可分为滚珠下水和牛油下水）、横向船台下水、浮船坞下水、气囊下水、起吊下水。
当前最为普遍采用的下水方式是船坞下水和纵向船台下水。
纵向船台下水通常易发生的危险情形有：艉跌落（艉弯）、艏跌落、滑道支撑受损、船体结构受损、船艏碰撞船台基面、船台侧壁碰撞、滑行冲撞障碍物。
在潮位过低时，避免艉跌落、艏跌落尤为艰难。
重力式滑道下水传承着经典的下水方式，我国建造的第一艘万吨轮“东风号”就是采用这种方式下水的。
重力式滑道下水被广泛采用就是因为它比较简单，对于小型船舶来说，利用河滩的坡度，在简易滑道上铺上牛油和滑板，船只就能滑行下水了。
但随着船舶尺度和吨位的增长，船舶滑道下水的风险也增长了。
首先是滑道上单位面积负载的增长，引起润滑脂被挤压出来、发热甚至燃烧，产生难闻的焦臭味。
其次是船底下需要设置一个承载船体重量的“船排”。
2 大型船舶下水风险的防治对策对于大型船舶来说，漂浮下水方式被认为是最安全的。
采用这种方式需要建造大型船坞，不仅建设投资大，而且运营费用高，增加了造船成本。
机械化轨道下水方式也曾经风靡一段时间，但它的造价高昂，横移区占用的厂区面积大，维护成本高，当代新建的船厂中已经很少采用。
2.1 气囊气囊承载能力的提高是实现万吨船舶下水成功的第一关键，从受力分析和长期应用实践已证实缠绕型的结构是最优秀的，从大型船舶使用特点中找出了气囊制作中帘子布的最佳缠绕角，提高了气囊承载力。
船舶下水计算的方法及力学分析的探讨作者：潘政中来源：《进出口经理人》2017年第06期摘要：现阶段国内大部分船厂船舶下水方式主要有三种方式：纵向滑行下水方式、借助浮船坞进行下水、使用干船坞进行下水。
本文结合现场运用要点主要探讨船舶纵向滑行下水方式的计算，并根据船舶结构设计特点给出下水墩位布置的一些建议。
关键词：船舶下水；计算方法；力学分析；支墩反力船舶下水相当于船舶的出生，它第一次接触到实际意义上的水，就像人平安出生一样，船舶下水也需要保证安全计算。
船舶下水计算目的就是预测船舶下水过程中的安全性。
一、下水阶段描述及各阶段注意事项按照船舶下水过程中的运动特征、力的变化以及有可能出现的危险情况，惯例地把船舶下水过程划分为4个过程。
第一阶段：自船舶开始滑动至船体接触水面为止在这一阶段中，船依靠本身重力沿滑道方向的分力下滑。
设下水重力为（包括船体及下水支架），滑道坡度为（弧形滑道取重心正下方之滑道坡度），静摩擦系数为，则船开始滑动条件为使船下滑的作用力，即这一阶段应注意船舶的重量及重心的位置。
第二阶段：自船体尾端接触水面至船尾开始上浮为止这一阶段中船的运动仍然平行于滑道，该阶段的力及力矩平衡方程式为：；式中，，及分别为下水重力，浮力和滑道反作用力的作用点至下水架前端点的距离。
在这一阶段中应避免尾下落现象。
第三阶段：自船尾开始上浮至下水架滑板前端离开滑道为止理论上，当船尾开始上浮时，滑道反力集中于下水架前支点处。
此时力及力矩的平衡方程为：船尾上浮是船舶下水过程中的正常现象。
但应采取适当的措施，避免压力集中作用于下水架前端一点，造成结构损坏。
通常在前部滑板与船体之间填入普通愣木，使反力分布在相当长度内。
第四阶段：自下水架滑板前端离开滑道至船舶停止运动为止下水船舶全浮后，由于惯性作用将在水中继续滑行，但是船舶受到水和其他制动物的阻力作用，其滑行速度将逐渐减小，直至滑行停止。
在这一阶段应避免出现以下两种情况：1、下水架滑板前端离开滑道末端时，船舶下水重量仍大于浮力——首吃水小于船首自由浮起的首吃水，将发生船首跌落现象。
