郭 豪

(广西壮族自治区船舶检验中心，广西 南宁 530028)

0 引言

近年来，随着西江航运干线航道条件的升级和航运市场的需求增加，广西区内造船朝大型化、标准化发展趋势明显，对大型船舶的稳性和结构强度等适航性能以及建造过程的安全提出了更高的要求。船舶从开始建造到报废，要经历装配焊接、下水、航行、上船坞维修等步骤，广西建造的船舶在下水过程也曾发生过船体结构损坏的事故，比如使用气囊将船舶从水平船台向下水坡道移动的过程中，由于主船体超出下水坡道坡顶点的悬空部分过长，导致主船体舯部发生断裂；又如船舶从下水坡道重力下水后，由于下水水域水深不足，船舶艉轴与河床碰撞后，导致艉轴、齿轮箱损坏以及机舱大量进水。因此船舶下水过程是一个复杂的系统问题，涉及船舶的总纵强度、下水坡道的承载能力、下水水域的水文条件等一系列问题，而且带有一定的危险性，是在船舶建造过程中十分重要的环节。为保证船舶安全下水，事前尽可能正确地进行科学、精准的计算，对船舶下水过程的总纵强度分析校核和预测船舶下水进程起到至关重要的作用。

1 船舶下水的受力分析以及强度校核原理

在船体总纵强度计算中，通常将船体理想化为一条变截面的空心薄壁梁，简称船体梁。船体梁在外力作用下沿其纵向铅垂面发生总纵弯曲从而产生应力[1]。船舶在波浪上航行时，重力与浮力是引起船体梁总纵弯曲的主要外力，而船舶在下水过程，重力、浮力以及下水坡道的反作用力则是引起船体梁总纵弯曲的主要外力。通过分析船体梁在下水过程各阶段所受的外力，求解船体梁横剖面上的剪力、弯矩以及相应的弯曲应力、剪切应力，并以内河船舶建造规范所规定的总纵强度许用应力作为衡准值，从而校核船舶在下水过程是否能满足规范的强度要求。

船舶的下水过程如图1所示，船体梁在其纵向铅垂面所受整体的重力、浮力和下水坡道的反作用力的分力是大小相等、方向相反，使全船在其纵向铅垂面处于静力平衡状态，但沿船长的任一区间分段而言，这些分力的相互作用是不平衡的，因此船体梁内部会产生剪力和弯矩。将船体简化成船体梁，每站所受的重力、浮力分布力简化成合力作用点在各站中点的均布力，气囊简化成简支端，并且船体梁的艏、艉两端为自由端，依据上述的各方面简化得到图2所示结构模型[2]。在此模型上进行受力分析，通过截面法[3]依次求得各站位横剖面上的剪力和弯矩[4]。

图1 船舶下水过程典型阶段示意图

图2 船体梁的简化结构模型及截面法计算剪力和弯矩的原理示意图

2 船舶下水设施布置的假定条件

广西各船厂船舶下水绝大部分采用单列气囊布置于船底的重力纵向下水方式，船底与下水坡道不直接接触，由气囊充气受压后提供支撑力。下水设施应满足中国船舶行业标准《船舶用气囊上排、下水工艺要求》(CB/T 3837-2011)中第5条设施要求，其中气囊之间的中心距以及数量应满足该要求[5](见图3)。

图3 《船艏用气囊上排、下水工艺要求》(CB/T 3837-2011)规定的下水坡道要求以及入水方式示意图

本文在研究单个气囊对船舶产生的支撑力时，假定以船舶下水重量重心G位置为分界，艏方向的反力大小为RF，艉方向的反力大小为RA，力的作用点等间距排列，根据在船舶铅垂面上的静力平衡方程式，以及承载下水船舶重量所需的气囊数量计算得出船舶在下水过程各阶段单个气囊的支撑力。虽然在整个下水运动过程中船舶与气囊的相对位置不断变化，但是其呈固定的周期性规律，因此在作受力分析时，可以假设支撑力是从船体艏部理论分站的受力作用点开始摆放，以相等间距排列。

3 下水各阶段的最大总纵弯曲的剪力、弯矩计算

根据船舶下水过程中运动的特点、作用力的变化以及可能发生的危险情况，结合广西船舶下水实际特点，通常在以下三个阶段分别出现总纵弯曲弯矩和剪力的极值。

3.1 第一阶段：平地移动至下水坡道转动前

自船舶从水平船台通过气囊以及牵引设备控制移动至下水坡道上端点S，船艉继续移动逐渐延伸超出S点，如图4所示，这一阶段船的运动平行于水平船台，船体梁所受的作用力有：

图4 船舶在平地向下水坡道转动前总纵弯曲应力最大位置示意图

(1)各理论站分段的船舶下水重量所受重力Pi。

(2)气囊所提供的支撑力RA及RF。

该阶段中力的平衡方程式为：

ΣPi=ΣRA+ΣRF

(1)

该阶段中艏、艉支撑力对重心的力矩平衡方程式为：

ΣRA·LAi=ΣRF·LFi

(2)

船体在移动过程中，当下水重量重心G位置艉方向的气囊全部超过S点时，则船体可简化视为开始绕S点由水平面向下水坡道转动，因此研究重心G在艉方向仅由一个气囊支撑时，为该阶段船体所产生总纵弯曲最大的位置，联立式(1)、式(2)计算得出支撑力RA和RF，并通过船体梁的简化结构模型计算该位置的弯矩和剪力。

3.2 第二阶段：沿下水坡道移动

按照《船舶用气囊上排、下水工艺要求》(CB/T 3837-2011)操作程序要求，可简化视为船体自绕下水坡道上端点S转动，如图5所示，船舶转动到下水坡道后的运动将平行于下水坡道，假设下水坡道的坡度为β，船体梁在纵向铅垂面所受的作用力有：

图5 船舶转动后沿下水坡道后总纵弯曲应力最大位置示意图

(1)各理论站分段的船舶下水重量所受重力垂直于下水坡道的分力Pi·cosβ。

(2)气囊所提供的支撑力RA及RF。

该阶段中力的平衡方程式为：

ΣPi·cosβ=ΣRA+ΣRF

(3)

该阶段中艏、艉支撑力对重心的力矩平衡方程式为：

ΣRA·LAi=ΣRF·LFi

(4)

由于这一阶段船体沿着下水坡道平行运动，因此研究重心G在艏方向仅由一个气囊支撑时，为该阶段船体所产生总纵弯曲最大的位置，联立式(3)、式(4)计算得出反力的RA和RF，并通过船体梁的简化结构模型计算该位置的弯矩和剪力。此后，船舶将沿下水坡道开始下滑，至开始接触水面前的位置，下水重量重心G在艏方向布置的气囊逐渐增加。

3.3 第三阶段：船舶开始下水至船艉上浮前

自船体艉端接触水面至艉开始上浮为止，这一阶段中，船的运动仍平行于下水坡道，如图6所示，船体梁在纵向铅垂面所受的作用力有：

图6 船体艉端刚接触水面，下水进程xw=0示意图

(1)各理论站分段的船舶下水重量所受重力垂直于下水坡道的分力Pi·cosβ。

(2)各理论站分段的船舶入水部分所受浮力垂直于下水坡道的分力Bi·cosβ。

(3)气囊所提供的支撑力Ri。

为简化计算各理论站的浮力Bi及浮心位置，同时从偏安全角度出发，该阶段假定船艉下水部分的气囊不对船体产生支撑反作用力，仅计算船体部分的浮力及浮心位置。

该阶段中设船舶下水进程为xw(船体艉部下水部分沿船长的方向的长度)，力的平衡方程式为：

ΣPi·cosβ=ΣBi·cosβ+ΣRA+ΣRF

(5)

其中由xw和下水坡度β推导得出船艉部分的吃水线，当船舶沿下水坡道滑行的距离为xw，艏艉吃水计算公式为[3]：

dF=-h+xw·tanβ
dA=dF+LPP·tan(α+β)

(6)

式中：LPP——船舶垂线间长(m)；

α——船底平板龙骨初始纵倾角(°)；

β——下水坡道坡度(°)；

h——船在解脱牵引后未滑动时艏垂线处的龙骨基线在水面以上的高度m。

再通过船舶静水力邦戎曲线积分求得各理论站分段的Bi，该阶段中对该点的力矩平衡方程式为：

ΣPi·cosβ·Lpi=ΣBi·cosβ·LBi+ΣRA·LAi+ΣRF·LFi

(7)

下水进程xw由0开始逐渐增大，取不同xw值由式(6)可求得对应的艏艉吃水值，在邦戎曲线上画出对应的水线，再通过数值积分的方法求得各站的浮力以及浮心位置，进而联立式(5)、式(7)求得RA和RF。当xw取值令ΣPi·cosβ·Lpi=ΣBi·cosβ·LBi时，则表示船艉开始上浮，通过迭代计算或插值法，求得令等式成立的xw值为xa，该点即为船舶下水过程中的艉上浮点，xa点的艉吃水则为下水进程的最大吃水深度，此时仅由最前端点的气囊提供支撑力，为该阶段船体所产生总纵弯曲最大的位置。见图7。

图7 船舶开始下水后总纵弯曲应力的最大位置示意图

在下水的第三阶段中，必须注意是否会出现船艉下落现象。若下水重量的重心艉方向的气囊已全部入水，而船艉尚未浮起，如图8所示，重力对重心艏方向第一个气囊的力矩MG=ΣPi·SGi有使船艉下落的趋势，而浮力对该点的力矩MB=ΣBi·SBi有阻止船艉下落的作用，其中：SGi和SBi分别为各理论站力的作用点至重心艏方向第一个气囊的距离。

图8 当重心G艉方向气囊全部入水且艉尚未浮起，若MG>MB，则发生艉下落现象示意图

若MGMB，则船以重心艏方向第一个气囊为支点而发生艉下落现象，此时船体受到局部集中反力，可能发生局部的变形，甚至船体有可能与下水坡道末端发生碰撞。艉下落是一种极其危险的现象，船舶在下水过程中不允许发生此种情况，如果根据下水计算结果发现可能产生艉下落时，应采取措施避免发生这种情况。通常采取的方法有：(1)在船艏部分增加压载重量，使艏部对滑到末端的力矩增加，降低船艉下落的趋势；(2)增加下水坡道的角度；(3)等待水位上升，增加下水坡道末端的距离[6]。

4 校核船舶总纵强度

通过上述分析，可得出船体梁在各阶段所受总纵弯曲最大的位置，并通过简化结构模型及截面法，计算各横剖面的剪力FN(i)、弯矩M(i)，根据《钢质内河船舶建造规范》关于船舶总纵弯曲强度校核的原理，对船舶几个典型部位进行校核，如船中部弯矩极值处剖面、船中部最弱剖面、剪力极值处剖面、机舱前端处以及最前货舱的前端处等，船体梁各计算剖面的弯曲应力σs、船体梁剖面中和轴处舷侧外板及纵舱壁的剪切应力τi。

船舶总纵强度的衡准根据《钢质内河船舶建造规范》，下水各阶段船体梁各计算剖面的弯曲应力σs在强力甲板和船底处的值应≤137 N/m2，在中部连续舱口围板顶缘处的值应≤153 N/m2；船体梁剖面中和轴处舷侧外板及纵舱壁的剪切应力τ应≤80 N/m2[7]。

5 结语

如何从专业技术角度进行分析和指导船舶企业生产，确保船舶在建造过程各个重要阶段的结构强度安全，是身为从事船舶检验事业的专业验船师应当具备的职业素养。

当前，内河船舶的建造规范、设计手册等与船舶结构强度相关的文献资料均是对船舶在航行、避风、作业等工况开展研究，但是针对船舶在建造过程下水阶段的结构强度分析和校核方面研究的资料很少。船舶在建造过程中的下水阶段是一个极为复杂的运动过程，且带有一定危险性。本文通过分析船舶在下水过程各阶段所受到的外力，参照现行建造规范的总纵强度计算校核标准，能可靠地指导采用气囊下水工艺的船舶结构强度安全性分析，利用理论计算的方法降低事故发生的概率。同时，此种计算方法能推导计算船舶下水过程中下水坡道所承载的压力，以及船舶安全下水水域水文条件所要满足的最低要求，从而能够对下水条件所能适配船厂的最大建造能力进行评估。