16 000 t 舉力下水工作船結構設計與分析

莊科挺，王 波，趙家蛟

(上海船舶研究設計院，上海 201203)

0 引 言

下水工作船是適用于船廠或港區水域內，專用于建造中的船舶或海上設施從岸上平移下水作業的船舶。16 000 t 下水工作船是按平地建造船舶的需要而設計的、專門用于新建船舶下水的浮船塢。這種作業方式是把新建船舶擱置在牽引小車上，通過軌道把船舶牽引至下水工作船，然后將船舶運到下水區域后下沉，使新建船舶完成下水作業[1]。

本船為鋼質非自航整體式浮船塢，由連續的底部浮箱和2 道連續的塢墻組成且不可分離，浮箱甲板上布置2 條縱向裝船軌道。最大裝船船作業重量16 000 t，最大舉升作業重量22 000 t，船體典型橫剖面如圖1 所示。

1 船體結構設計

常規的無動力下水工作船的結構形式主要有駁型和塢型2 種。駁型下水工作船通常由浮箱和浮箱甲板上的塔樓組成，作業時可根據下水船舶或海工結構物的需求選擇縱向裝船或橫向裝船。塢型下水工作船通常由浮箱甲板和2 道連續的塢墻組成，裝船方式一般為縱向裝船。

圖1 典型中橫剖面圖Fig.1 Typical midship section

在本船方案設計階段，從結構強度、艙室及錨系泊布置、下潛穩性和下水產品種類4 個方面，對駁型和塢型下水工作船進行對比分析。

1.1 結構強度

總縱強度方面，駁型下水工作船的塔樓不參與總縱強度，因此整個船體的剖面模數由浮箱結構提供。典型的駁型下水工作船的中橫剖面如圖2 所示。

圖2 駁型船體結構典型橫剖面圖Fig.2 Typical midship section of barge hull

塢型下水工作船的船體剖面模數由浮箱結構和塢墻結構提供，塢墻結構因較高的型深，對船體剖面模數貢獻大。通過對2 種船體結構對比，滿足相同船體總縱強度要求下，塢型船體結構的鋼料重量相比駁型船體結構減少約10%。

局部強度和橫向強度方面，駁型和塢型船體結構基本一致。

1.2 艙室及錨系泊布置

通常下水工作船上需要布置主發電機室、應急發電機室、燃油艙、配電板間、中央控制室、會議室、儲藏室、休息室等，若有人員住宿的要求還需增加更多相關的配套艙室。下水工作船因浮箱甲板軌道布置和墩木布置的要求，錨系泊通常布置在塔樓或者塢墻的頂甲板上。

駁型下水工作船因浮箱甲板上的塔樓較小，往往給艙室布置和錨系泊的布置帶來較大困難。塢型下水工作船浮箱甲板上兩道首尾連續的塢墻，塢墻上可布置艙室的空間大，且頂甲板上有富裕的面積布置錨系泊設備。

1.3 下潛穩性

下水工作船因特殊作業要求，對船體穩性提出較高要求。在下潛過程中，靜水力曲線在浮箱甲板入水處明顯間斷，此時船體儲備浮力小，船體初穩性差。同時船體內設有數量多，容量大的壓載水艙，在調載過程中必然有一部分壓載水艙的水未滿，存在大量的自由液面[2]。

塢型下水工作船在浮箱甲板入水后，浮箱甲板兩側連續的塢墻能提供較大的儲備浮力和回復力矩，船體穩性好；駁型下水工作船因浮箱甲板上的塔樓提供的儲備浮力和回復力矩小，往往需要在浮箱甲板上增設小型輔助浮箱才能滿足船體穩性要求。

1.4 下水產品種類

駁型下水工作船作業時根據下水船舶或海工結構物的需求，可提供縱向和橫向裝船2 種方式，尤其是能夠滿足超寬海工產品的橫向裝船需求；塢型下水工作船因浮箱甲板上塢墻的限制，僅能提供縱向裝船一種方式，下水產品相對單一。

通過對比研究表明，下水工作船采用塢型船體結構形式在船體結構強度，艙室及錨系泊布置和下潛穩性其方面具有較明顯的優勢，而駁型船體結構能夠適用更多的下水產品。

16 000 t 舉力水工作船綜合考慮使用需求和投資建造的經濟性，采用塢型船體結構更為合理。

2 結構強度分析

大型船舶的縱向裝船下水是一個事故因數較多的復雜工藝過程，為確保船體結構安全，需在船舶縱向裝船過程中不斷調節各個壓載水艙的壓載水量來減小船體縱向彎矩[3]。通常規范計算能考察整個船體梁的強度水平，但對于多種載荷作用下船體結構的局部高應力區域無法清晰地把握[4]。本文以某新建8.2 萬噸級散貨船的縱向裝船作業和舉升作業為例，對本下水工作船建立全船有限元模型，進行計算和結構強度分析。

2.1 有限元模型建立

應用MSC/Patran 軟件建立下水工作船全船有限元模型，模型包含全船浮箱結構和塢墻結構，如圖3 所示。模型采用右手坐標系，原點為船舶尾垂線與基線的交點，x 軸沿縱向船首方向為正；y 軸沿水平方向向左為正；z 軸為垂向由原點向上為正。根據相關船級社建模要求，模型主要構件采用板單元、梁單元來模擬。有限元網格按照肋骨間距或骨材間距進行劃分。

圖3 全船有限元模型Fig.3 Global FEM model

2.2 邊界條件選取

計算中邊界條件如圖4 所示。

1）中縱剖面，首部船底A 點，Dx=Dy=Dz=0；

2）中縱剖面，首部甲板B 點，Dy=0；

3）中縱剖面，尾部船底C 點，Dy=Dz=0。

2.3 計算載荷

圖4 有限元模型邊界條件Fig.4 Boundary conditions of model

計算載荷和工況的確定方法參考中國船級社《鋼質海船入級規范2018》的相關內容[5]。在進行船體強度校核時要施加的設計載荷包括：

1）空船重量。將下水工作船全船有限元模型分為8 個分段，調整每個分段結構的密度，以模擬下水工作船的空船重量分布。

2）外部水壓力和壓載艙水壓力。外部水壓力，即浮力，以面載荷的形式加載在下水工作船的外殼上；壓載水艙中的水壓力以面載荷的形式加載在下水工作船的船底板上。

3）被載船重量。被載船為8.2 萬噸級散貨船，最大縱向裝船作業重量為16 000 t，沉浮作業前被載船需要打壓載水并調整浮態，此時最大沉浮作業重量達到22 000 t。

被載船各分段重量見表1，各分段劃分如圖5 所示。

表1 被載船各分段重量（噸）Tab.1 Weight distribution of launching ship（t）

圖5 被載船各分段范圍示意圖Fig.5 Blocks distribution of launching ship

4）下水工裝件重量。裝船作業和舉升作業中，下水工裝件主要有墩木，小車，A 型擱架，下水橫梁。

裝船作業中，被載船由小車牽引至下水工作船中，小車具有調載功能，每段重量以均布線載荷的形式作用于該范圍內小車輪子下的軌道處。

舉升作業中，小車撤除，由A 型擱架和下水橫梁支撐被載物，被載船尾部分段1 和分段2 重量以均布面載荷的形式作用于下水橫梁處的支撐結構，被載船其他分段重量以均布線載荷的形式作用于A 型擱架下的支撐結構。

主要下水工裝件的平面布置見圖6，下水橫梁的橫向布置見圖7，A 型擱架和小車的橫向布置見圖8。

圖6 下水工裝件平面布置示意圖Fig.6 Plan arrangement of launching tools

圖7 下水橫梁布置示意圖Fig.7 Arrangement of launching web beam

圖8 移船小車和A 型擱架布置示意圖Fig.8 Arrangement of trolley & A support

各下水工裝件的重量如下：

墩木每個重4 t，全船41 個，共164 t。載荷作用于浮箱甲板上墩木擺放處。

小車每組重10 t，全船34 組，共340 t。裝船作業中承載被載船，載荷作用于小車軌道處。

A 型擱架每個10.5 t，全船22 個，共231 t。擱架隨小車一起裝載上船，小車撤走后由擱架承載被載船重量。

下水橫梁每根30 t，全船12 根，共360 t。被載船尾部由于線型原因，小車撤走后，被載船尾部分段1 和分段2 重量由下水橫梁承載。

2.4 計算工況

裝船作業中本船裝船方向是縱向從下水工作船尾部裝船。通過軌道小車按船長1/8，2/8，3/8，4/8，5/8，6/8，7/8，8/8 的步驟裝船。

沉浮作業中選取下水工作船準備下潛吃水6 m 的典型工況和吃水位置至A 型擱架頂時的工況。各計算工況詳細信息見表2。

表2 裝船作業和沉浮作業工況一覽表Tab.2 Loadcases of loading condition and lifting condition

2.5 計算結果分析

通過對全船結構的有限元分析，得到船體在各個使用工況下的結構強度，整體變形情況，并發現結構應力較高的部位。

縱向裝船作業中，船體結構的變形為中拱狀態，船體高應力主要集中在頂甲板梯道開孔處，和裝船軌道下船體支撐結構處的橫艙壁上。

沉浮作業中，船體結構的變形為中垂狀態，船體高應力主要集中在下水橫梁下的船體支撐結構。

下水工作船在作業過程中可以通過調整壓載水艙內的壓載水量減小船體靜水彎矩，但總縱強度依然是首要的強度問題，在設計階段要特別考慮頂甲板梯道開孔處的高應力區域。在局部強度方面，因裝船小車非常大的輪壓載荷，需詳細計算軌道下的船體支撐結構，同時需注意與支撐結構相連的橫艙壁的強度。沉浮作業前，被載船首部通常需要打大量壓載水來調整船體浮態，此時被載船首部分段重量大且線型變化大，需額外注意此處船體支撐結構的強度問題。

圖9 裝船作業有限元變形云圖Fig.9 Displacement of loading condition

圖10 裝船作業橫艙壁應力云圖Fig.10 Stress distribution of loading condition

圖11 沉浮作業有限元變形云圖Fig.11 Displacement of lifting condition

圖12 沉浮作業下水橫梁下結構應力云圖Fig.12 Stress distribution of lifting condition

3 結 語

在下水工作船設計前期，可根據下水產品的特點和船體結構設計的合理性選擇駁型或塢型船體結構形式。在詳細設計階段，可以采用全船有限元方法對整個裝船作業和沉浮作業過程進行詳細的強度分析，優化結構形式，計算結果對結構形式、構件規格和材料級別的選取具有決定性的意義。