船舶下水计算的方法及力学分析的探讨
时间：2020-12-15 04:02:15 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
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。2、下水船舶脱离滑道以后，由于惯性将继续在水面上向前运动一段距离。若水域狭窄，可能造成碰撞和搁浅。
综上所述，船舶下水计算需要输出的结果有三大类别：限制尾下落的条件、首支点的最大压力、限制首跌落的条件。
二、船舶下水计算力学分析
船舶下滑运动与其所受作用力关系密切。如图1所示：
重力是下水时船的重量，包括船体重量和下水架的重量，是下水过程中的重要因素。
浮力是船体入水部分所受水压力的合力；在下水过程中，浮力和浮心位置B都随时间变化。
滑道法向反力，方向垂直于滑道。
滑道摩擦力平行于滑道，与船舶的下滑力相反，阻止船舶下滑。
水动力包括水的粘性运动阻力和动量变化力。
当重力的力矩与浮力和滑道发作用力的合力的力矩平衡时，船舶开始尾浮。此时应该校核船舶下水最尾墩位的滑程，以确定是否出现尾下落，得出避免船舶尾下落的最小潮位。另外，该阶段会出现船舶的最大沉深，应该考虑避免船尾接触坞墩。
当浮力与重力平衡时，船舶完成尾浮。此时应该校核首墩的滑程，以确定是否出现首跌落，得出避免船舶首跌落的最小潮位。如果船舶下水区域的潮位是在不能满足避免首跌落的潮位要求，对于布置2根滑道的船台，可在其下水部分做出中心凹槽，当发生首跌落时就可避免船舶撞击船台或水底。另外，首支点所受压力在该阶段达到最大，应给出所受压力的最大数值以便下水布置时施工人员选择合适的首支点工装。
三、船舶下水计算方法分析
船舶下水计算方法分析包括了多方面的内容，以下从基本计算假设、基本计算原理、整体计算流程等方面出发，对于船舶下水计算方法进行了分析。
基本计算假设
在船舶的下水过程中，其计算的基本假设主要包括了船梁挠曲线和总纵弯矩以及和滑道反力的计算原理和内容。在本文的研究过程中假设船舶下水是在三维空间中的六个自由度的复合运动，
即为且这一运动会受到部分随机因素影响。其次，因为船体的横剖面和惯性矩只需要参与船体总纵弯曲的全部纵向构件，然后在此基础上通过假设船体梁的中和轴在负荷为零时，就能够在此基础上让船舶在垂直于中和轴的方向处于挣力平衡状态。[1]
基本计算原理
船舶下水计算方法有着全面的计算原理，既在下水的第一、二阶段确保中和轴与滑道平行，然后在此基础上根据船体处于静平衡状态.至于船体在沿中和轴方向上受的力，如下滑力和惯性力以及水阻力以及附连水等对垂直方向的影响很小，从而能够使其忽略不计。其次，在判定基本计算原理时还应当避免外伸重量过大问题的出现，从而能够在此基础上将外伸重量全部加到O～20站内。其公式为：
在这一阶段中弹性的基础梁会受到的外荷重的影响，并且所有的力与挠度方向在与夕轴同向时为正。[2]
整体计算流程
船舶下水计算应当有着完善的计算流程。在这一过程中设计人员应当考虑到其对于浮力的影响以及船底有效刚度的影响，以此为基础来判定船体梁的平衡微分方程。其次，因为这一方程的解析在数学上存在着较大程度的困难，因此设计人员应当通过采用虚位移原理来等价船体梁的平衡微分方程，并且通过采用李兹法来趋近于所需求的下水过程中船体梁的挠曲，表现为：
因此这意味着只要能够求得解线性方程组，然后以此为基础就能够求得墩木反力。为此我们编制了相应的计算机程序，通过执行流程就能够用电子计算机很容易地可进行逐步逼近来求得精确位置，计算结果表明了这一假设本身所具有的合理性。[3]
四、船底局部强度及支墩反力
船舶强度设计是以能承受船体航行过程中分布水压力为依据设计的船底纵桁和实肋板之间的小板架。由于这样的结构特点，船底各点的局部刚度不同，布置有实肋板及強纵桁的位置局部最大；有纵骨的位置局部强度较大；其余位置的局部强度随着离开这些加强筋而很快的降低。
船舶下水时作用在船底上的支墩反力非常大，并且集中作用于船底与支墩接触的局部区域，这和船舶航行状态下的受力性质是完全不同的。这样的船底结构特点，使得船底板不同部位在下水过程中的凹入变形差异较大，相应的，与船底各部位对应的支墩局部点，压缩变形也有很大的不同。
根据船底结构的特点和船舶下水的受力性质，对下水墩位置提出如下建议：支墩应尽可能布置在纵向或横向强力构件下，如船底纵桁或纵舱壁，实肋板或强力肋板等；由于下水时的载荷是一次短时间作用，因此，对局部弯曲和应力集中引起的二次应力允许超过其抗弯和抗剪强度以及薄壁构件的稳定性，但高应力进入塑性应力重新分布后，结构不应出现大的变形；当强度和稳定性不足时，应予以加强。所加强构件应避免因应力集中而可能导致船体的疲劳损伤，避免在已有构件焊缝处重复施焊，特别是下水首支墩与船体连接处的局部强度。
参考文献：
[1]陈铁云，沈伟琴，朱崇贤.船舶无首支架纵向下水新工艺的力学分析与计算[J].船舶工程，2015，02（1）：37-39.
[2]王化明，屠璐琼，陈林，赵春慧.横流环境下船舶纵向下水试验研究[J].中国造船，2016，1（02）：45-47.
[3]陈铁云，张圣堃，钱仍勣.船舶计算结构力学的现状和发展—数值分析方法在船舶结构强度计算中的应用[J].上海交通大学学报，2016，1（02）：
26-29.
