80000t级整体式浮船坞的拖航工程设计

52卷 第1期（总第194期） 中 国 造 船 Vol.52 No.1 （Serial No. 194） 2011年3 月 SHIPBUILDING OF CHINA Mar. 2011

文章编号：1000-4882（2011）01-0165-08

80000t级整体式浮船坞的拖航工程设计

蒋志岩1，林 华2，王文正1，吕 洋1 （1. 大连中远船务工程有限公司，大连 116113； 2. 中远船务工程集团有限公司物资管理中心，大连 116600）

摘 要 该文以一艘80000t级整体式浮船坞拖航为例，从被拖物的角度对拖航工程设计的步骤及工作内容做了系统阐述；在此基础上，针对浮船坞的特点对浮船坞拖航的技术难点做了进一步的探讨。由于浮船坞的拖航阻力较大，拖力点的选取和拖力眼板的设计便成为浮船坞拖航设计的一项重要工作；鉴于浮船坞的强度校核关乎整个拖航工程的安全，该文利用有限元方法对浮船坞进行了整船有限元分析，既校核了拖航状态下的扭转强度、横向强度和局部强度，也对按规范进行的总纵强度校核做了进一步的验证。坞墙既高又窄的结构特点使得对坞吊进行就地有效封固成为一项特别困难的工作，为了节约将坞吊拆卸再安装的高额成本，对其进行了专门的绑扎设计。

关 键 词：浮船坞；拖航；有限元方法；总纵强度；绑扎系固 中图分类号：U661.43 文献标识码：A

0 引 言

作为大型的修造船设施，浮船坞的建造港与使用港经常位于不同地域；由于买卖、转让、租借等原因，也可能使浮船坞的使用港在其服役期内发生变化。鉴于浮船坞没有自航能力，因此必须借助拖船对其进行拖航作业，以达到变换使用港的目的。 由于浮船坞的造价上亿元，并且拖航时坞上一般都有相关人员随行；所以，一旦发生危险，后果将不堪设想。与普通驳船或常规海损船相比，浮船坞有着自身的结构特点和船型特性；另外，相对于一般船舶而言，可供参考的浮船坞拖航实例也比较少。由此可见，将浮船坞的拖航作为一个工程问题进行全面、深入的研究是十分必要的。 一般而言，接受委托并执行拖航作业的拖船公司只负责制定拖航计划，而与浮船坞相关的拖航工程设计往往由委托方负责[1]。本文以1艘80000t级浮船坞为例，从被拖物的角度对浮船坞的拖航工程

设计作一简述。

1 航次概述 1.1 任务简介 本次拖航是将1艘80000t级整体式浮船坞由大连拖往广州。拖船公司根据浮船坞的主尺度、拖航

收稿日期：2010-06-13；修改稿收稿日期：2010-06-25 166 中 国 造 船 学术论文 距离、拖航航线的海况等，在估算出拖航阻力的基础上选择了合适的拖船（1艘），出具了拖航计划，设计了具体的航路。拖航的起拖时间为11月中旬。 1.2 浮船坞的主尺度及主要参数 浮船坞的主尺度及主要参数见表1。

表1 浮船坞的主尺度及主要参数 总长/m 浮箱长/m 坞墙长/m 外宽/m 内宽/m型深/m浮箱型深/m坞墙宽/m拖航吃水/m 拖航排水量/t182.00 182.00 162.00 47.25 40.25 18.00 5.35 3.50 3.00 26944.0

1.3 拖船的主尺度及主要参数 拖船的主尺度及主要参数见表2。

表2 拖船的主尺度及主要参数 船级 总长/m 型宽/m 型深/m吃水m总吨净吨主机/kW 系柱拖力/kN CCS 98.00 15.80 8.00 6.94 388311647650 ×2 1961

2 适用法规和规范 根据浮船坞的船旗国和船级以及预计航行的海域，本次拖航适用中华人民共和国船舶检验局《船舶与海上设施法定检验规则——海上拖航法定检验技术规则（1999）》（以下简称《拖航法规》），中华人民共和国海事局《国内航行海船法定检验技术规则（2004）》（以下简称《航行法规》）和中国船级社《浮船坞入级与建造规范（1992）》（以下简称《规范》）。同时，本文的部分工作还参照了中国船级社《海上拖航指南（1997）》（以下简称《指南》）和中国船级社《钢质海船入级与建造规范（2001）》（以下简称《钢规》）的相关内容。

3 稳性与浮态

为了减少在拖航中所受砰击的影响，浮船坞应有适当的拖航吃水，并具有一定的艉倾[2-3]。本次拖航的平均吃水约为3m，艉倾约为1m。这一浮态是按照配载方案通过调节压载水而实现的。 为了做出一个较好的配载方案，需要综合考虑稳性、强度等多方面因素，后文中将对此给予说明。 根据《航行法规》的相关条文，本浮船坞符合非自航箱形海驳的定义，航区为近海航区，需按《航行法规》对近海航行的非自航海驳完整稳性的相关要求进行完整稳性校核[4]。

相对于船长、型深和吃水，浮船坞的船宽较大，从而初稳性高GM值也较大，完整稳性指标的裕度很大。表3中，浮船坞拖航状态完整稳性的计算结果证明了这一点。由此可见，浮船坞的完整稳性不是拖航工程设计的主要矛盾。 本次拖航的浮船坞上留有6名工作人员。根据《拖航法规》，被拖物上搭载乘客不超过12人时，对破舱稳性不作要求[5]。但是为了保障安全，本次拖航工程设计采用一舱破损制（船艏或船艉仅取1

个压载水舱）和确定性方法（损失浮力法）进行了破舱稳性的计算。计算结果表明，一舱破损后稳性52卷 第 1 期 (总第194期) 蒋志岩，等：80000 t级整体式浮船坞的拖航工程设计 167 和总纵强度仍能达到衡准的要求。

表3 拖航状态稳性汇总表 序号 项 目 要求衡准 拖航状态 1 排水量/ t 26944 2 平均吃水/ m 3.043 3 艏吃水/ m 2.510 4 艉吃水/ m 3.576 5 重心纵向位置/ m 1.066 6 重心高度/ m 3.292 7 初稳性高度GM / m 50.387 8 稳性消失角/（º） ≥30 60 9 最大复原力臂对应角/（º） 16.82 10 复原力臂曲线下面积（0-16.8º）/m.rad ≥0.08 1.738 11 稳性衡准数K ≥1 85.62

4 强度校核 4.1 总纵强度 按《规范》的相关要求[6]，当浮船坞处于拖航状态时，在考虑了波浪弯矩的作用后，许用弯曲应

力为175N/mm2。本次设计的计算结果如下：

波浪弯矩： MW（±） = ±1.315×106 kN·m

剖面模数： 顶甲板处 Wd = 11.78 m3

坞底处 Wb = 23.18 m

3

许用合成弯矩： M = 2.0615×106 kN·m

许用静水弯矩： S

M（±） = ±7.465×10

5

kN·m

因为浮船坞水线以下是箱型，为了尽量降低静水弯矩值，采用沿船长方向均匀加载压载水的配载方案。其结果是所有舱都不是满舱，增加了自由液面，GM值会有所降低。但是由于浮船坞的稳性指标的裕度很大（前文中已提到），而且GM值的降低会增加横摇周期，从而有利于提高坞上人员的舒适度和坞上载运货物的系固强度，所以，这种配载方案是合适的。 经计算，本次拖航状态的最大静水弯矩为1.186×105 kN·m，远小于许用静水弯矩。

4.2 扭转强度、横向强度和局部强度 由于浮船坞的坞墙高度很大、宽度较小、受力情况比较复杂，采用传统的梁理论的简化方法进行计算是不足的。因此，将整船结构作为一个整体，应用船舶结构直接计算方法进行强度分析是很有必要168 中 国 造 船 学术论文 的。该方法主要是在船舶外载荷分析的基础上，采用有限元方法，对船体结构进行整船的准静态三维有限元强度分析，计算出船体结构的变形和应力分布，并与相应的强度衡准进行比较，从而对船体强度是否满足要求做出判断。该方法能够考虑到船体各横剖面的结构特性，而且也能够计及船体纵向结构变化的影响，是评价船体强度的一种有力手段。 本次拖航设计进行了全船有限元分析，既校核了拖航状态下的扭转强度、横向强度和局部强度，也对按规范方法进行的总纵强度校核做了进一步验证。计算结果表明：在浪高3.5m、6级风的海况下，按配载方案进行压载后的浮船坞以5kn航速航行时，总体合成应力水平在100Mpa左右，最大合成应力为135Mpa（出现在舯剖面附近），能够满足强度要求。

5 拖力点的设计 5.1 拖力点的位置 拖力点位置的选定主要与航向稳定性、龙须链的受力和船体纵、横舱壁（或强构件）的布置有关。两条龙须链间的夹角过大会导致其受力增加，过小又会造成浮船坞偏荡过烈，一般定在60º～90º为宜。根据抬船甲板下强构件的位置，经与拖船公司讨论后，确定了图1所示的拖力点位置；拖力点下方为纵、横舱壁相交处，两条龙须链的夹角为75º，符合要求。

图1 拖力点布置 5.2 拖力眼板的设计 拖力眼板、缆桩或掣链器等都可以作为拖力点[5]。由于拖力眼板的结构形式简单可靠，故本次拖

航采用拖力眼板的结构形式，如图2所示。 龙须链的破断负荷为2548kN，根据《拖航法规》相应的要求，拖力眼板的最小破断负荷达到3312kN（为龙须链破断负荷的1.3倍）。由于受龙须链链环的外形尺寸限制，拖力眼板要达到这一强度的关键在于两点：一是销轴的弯曲强度，二是支架板的剪切强度。 为了提高销轴的弯曲强度，将其截面设计成跑道圆的形状（充分利用空间）并采用了40Cr合金结构钢。提高支架板的剪切强度有两条途径，一是增加剪切面积，二是通过改变材质提高其许用应力。