船舶气囊下水理论及安全风险评估.doc

.福建华东船舶及海洋工程设计院East China Marine Design Institute Co., Ltd of Fujian华设（2012）第HD2012001号船舶气囊下水理论及安全风险评估目录1、 概述2、 气囊的特性 2.1.气囊的构造 2.2.气囊的特征参数 2.3.气囊的性能曲线3、 气囊下水阶段及船舶位置参数 3.1.气囊下水阶段的划分 3.2.下水时船舶的位置参数 3.3.船舶倾斜度的变化 3.4.船舶的“弯折”现象4、 作用在船舶上的作用力及受力分析 4.1.作用在船舶上的作用力 4.2.力与力矩的平衡方程 4.3.船舶下水过程的安全问题 4.4.气囊承载力的分布形式 （1）梯形分布 （2）三角形分布5、 气囊形式的静力学计算程序 5.1.辅助计算表 5.2.计算程序及说明 5.3.气囊下水状态曲线6、 气囊的数量与布置 6.1.气囊数量与分布计算 6.2静置气囊及前置气囊 6.3静制动及牵引力计算。7、 气囊下水的动力学计算8、 气囊下水的安全风险评估9.计算实例1、概述：船舶气囊下水技术是中国在20世纪80年代初发明的，这项具有我国完全自主知识产权的技术，经过三十年的改进与发展，目前已具备十万吨级船舶的下水能力。它的应用和发展已经引起船舶修造技术出现了一项“革命性”转变。是对船舶下水工艺的重大贡献。气囊下水的技术又称为“柔性下水技术”，是在传统的滑道下水技术的基础上发展起来的。它利用柔性的气囊来取代滑道和滑板，克服了传统滑道下水的许多缺点。柔性的气囊好似一个弹性垫，它使船体在下水过程中可以自由俯仰，保持船底下有较大的接触面积，使船底的受力十分缓和，以致船体的结构、表面的油漆(涂层)不会受到损伤。 气囊下水技术与传统的滑道下水技术比较，具有如下的优越性： （1）节省了船厂基本建设的投资。在船厂基本建设中，下水设施，如传统的下水滑道及其水下工程的投资十分惊人。采用气囊下水技术的船厂只需建造简易的坡道，设施简单，而且无需复杂的水下工程，大大节省了船厂基本建设的投资。 （2）下水工艺简化。采用气囊下水的准备工作可以在一两天内完成，工人操作简单，气囊使用后通过回收可重复使用，降低了造船的生产成本。 （3）船舶气囊下水技术无废弃物排入水中，有利于保护环境。本文所涉及的气囊下水均指船舶纵向下水。纵向下水时船舶可以是首部向前，也可以尾部向前，但由于通常船舶尾部较为丰满，下水后减速较快，尾部向前应用较为广泛。本文讨论尾部向前的下水问题，所有结论均适用于首部向前的情况。2.1气囊构造：与传统的滑道下水不同，气囊下水的关键设备是专为此项工艺而开发的“船用下水气囊”。本文所述的气囊，将以济南昌林气囊容器厂（以下简称“昌林”）提供的资料为例。这是一种用硫化橡胶作为基本材料与锦纶帘子布（或其他增强纤维布）作为骨材，粘合制成的圆筒形产品（图 1. 气囊结构图）。当气囊内充入压缩空气时，即可承受一定的压力，且又可滚动，可将重物（船舶）从陆地移入水中，实现“下水”；也可将水中的船舶移上岸，实现“上排”。 图 1. 气囊结构图 2.2.气囊的特性参数（1）气囊变形率当圆形截面的气囊承受压力时，会被“压扁”，形成扁形截面，其体积将会缩小，已封闭在其中的压缩空气的压力会提高，可使气囊的承载力增大。气囊既能承载船体的重量，又能滚动，船舶下水正是利用了气囊这二个特性。 图2. 气囊压缩变形图当气囊内充入一定压力的气体，气囊的原始自由形态的截面为圆形，设其直径为D，当承受平面压力后，气囊变为扁圆形，其高度H称为“工作高度”。（图2.）定义：R为“气囊压缩变形率”或：“气囊变形率” 。R=(D-H) / D100（2）气囊承载力：气囊承载力是指气囊受压时所承受的载荷，也称为气囊支持力。在一定条件下，气囊支持力与气囊变形率的关系，称为气囊性能曲线。可由气囊压力试验得出。 图3.气囊性能曲线图3.是“昌林”生产厂家应提供的气囊性能曲线。从中可以读取在一定压缩变形率时的单位长度承载力的数值，以及最大（大约在R=70）的承载力称为极限承载力。表1-1、1-2所示是“昌林”高压气囊的性能参数。表1-1气囊性能参数表气囊型号气囊直径D /m额定工作压力P / kPa压缩变形率达70、内压为额定工作压力P值时，气囊单位长度承载力QH / KN / m压缩变形率达70时允许的最大内压Pmax / KPaQG70.82952598801.02402647201.22002646001.51602644801.81302573902.0116255348表1-2 QG7型气囊单位长度的承载力气囊直径D工作压力P工作高度H每米长度的承载力kN / mt / m0.8m0.29MPa0.5m136.6613.940.3m227.7723.241.0m0.24MPa0.6m150.7915.390.3m263.8926.931.2m0.20MPa0.7m157.0816.030.4m251.3325.651.5m0.16MPa0.8m175.9317.930.5m251.3325.651.8m0.13MPa1.0m163.3616.670.6m245.0425.00 需要说明的是，由于气囊是一种柔性体，市场上有各家生产的气囊，同一厂家的产品，即使材料工艺均按标准生产，其产品的性能、参数也会有一定的差别，又加上在实际应用中船型、气囊有很大区别，加之，船舶与气囊接触面在不断变化，因而，从气囊的变形计算船体受力是很不准确的。在本理论计算中仅验算气囊的承载力是否大于极限承载力，作为对船舶安全性评估的内容之一。在分析气囊下水的全过程中，由于气囊的变形值较大，而船体结构及船台的变形很小，将其视为绝对刚性体。3、 气囊下水的运动阶段及船舶位置参数： 3.1气囊下水阶段的划分船舶下水是一个非常复杂的动力过程。气囊下水与传统的滑板下水有许多相似之处，但也有很大的不同。其差别的根源均来自于气囊下水时船舶下面采用了柔性的气囊垫。气囊下水通常分为3个阶段：第1阶段：自船体在气囊上开始运动到船体尾部开始入水。这是船体在船台上的运动，从严格意义上可以认为这只是“下水”的准备阶段。有时也将第一阶段的开始时刻定义为船舶尾部开始脱离船台末端。第2阶段：自船体入水到船体全部离开船台。这个过程通常船舶会出现尾“弯折”及“尾上浮”的现象，在船首脱离船台的瞬间还可能出现“首跌落”现象。因此，有可能出现船舶触底、撞船台及船体结构高应力等危险情况，这就是船舶下水的安全风险。因而这个阶段的各种力学特点是我们要重点探讨的现象。这一阶段主要还是采用静力学的方法研究船舶的状态，但也要考虑动力学问题。第3阶段：船体全部脱离船台，依靠惯性在水面上滑行直至完全停止，完成下水的全过程。这一阶段主要研究动力学问题。3.2下水时船舶位置参数：参见图5。（1）名义行程船舶尾垂线与船台末端的距离Ls，称为船舶下水的名义行程。 行程船舶重心越过船台末端的距离S， SLsxgo式中： xgo船舶重心至船舶尾垂线A.P之距离（m） 图 5. 气囊下水示意图（2） 承载力长度Lx： 船舶之下承受船舶载重的气囊长度Lx，在船舶下水运动过程中是不断变化的。定义此承载长度为：从船台末端到最前端首次出现承载力为0的气囊中心线的距离，或者从船台末端到最前端承载力不为0的气囊中心线的距离，或船台末端到首柱（F.P)的距离；取以上三者的最小值。 由于气囊承载力Lx的选择对气囊承载力的计算有很大意义，因而应准确界定Lx的数值，这里有3种情况：a）当船舶倾斜度与船台倾斜度不一致时，船体基线与船台平面不平行，因而在船台上的各处气囊的工作高度并不相同。例如，当时，各气囊的工作高度等于其自由态的直径时，该气囊承载力为0。由此说明，该气囊之前的气囊均将没有承载力，是无效气囊。因而Lx只应计算到该气囊的中心处。b）当时，各气囊的工作高度相同，显然Lx应从船台末端计算到最前端气囊的中心点为止。c）当气囊滚动时，Lx最大值只应计算到首柱为止。（3）船舶倾斜度（龙骨线或船舶基线与水平线夹角的正切值） 由图5可知： tg（y1+Lxtgy0）/ Lx由此得出：y1y0Lx（tgtg） 或：y0y1Lx（tgtg）此式称为：气囊下水的几何条件。式中：y0 在船台末端气囊的工作高度； y1 船舶前端的气囊工作高度，如果此值为气囊原始自由状态时的直径，如选 用直径为1.5m的气囊，则y11.5m，此时其支持力为0。3.3船舶在下水过程中倾斜度的变化船舶采用气囊下水时，即使船台倾斜度不变，由于气囊的柔性作用，即对船舶受力变化较为敏感，会产生较大的形变，会导致船舶自身的倾斜度产生变化，尤其在船舶入水点到船台末端的距离较小时，这种现象很明显。3.4船舶的“弯折”现象下水过程中船舶倾斜度相对于船台倾斜度的变化称为“弯折现象”。显然，若时，y0y1此时会出现船舶倾斜角加大，尾部下沉，出现向下“弯折”,船体呈现“中拱”状态。由于气囊是柔性体，对尾部下沉的弯折现象有一定的“缓冲”作用，因而，随着船舶行程的增大，尾弯的变化呈现渐变的过程。只要气囊不出现爆裂，一般不会出现尾弯及中拱弯矩的突然增大现象。这对船舶下水安全是有利的。按照气囊承载力曲线，在一定的充气压力条件下，y0可以在（20-100）D范围变化常用（30-100）D，y0有一个最小值ymin。此时气囊的承压能力达到极限值，船舶下水处于临界状态，称为下水临界点。下水计算的任务之一就是要求出此临界点。当 时，y0y1 此时船舶出现尾浮现象，船舶呈现“中垂”状态。同样，由于气囊的“柔性”作用，当出现尾浮时，船舶前端气囊承载力的变化也呈现渐变过程，承载力将分布在一定范围的多个气囊之上，从而也“缓冲”了尾浮时船体的中垂应力以及气囊承载力的突然增大，相对于滑板下水而言，对船舶下水安全是有利的。气囊下水时，作为柔性体的气囊允许有一定的变形裕度和一定的计算误差，笔者建议可假定此裕度达到20，因而可以定义：在y080y1时，产生弯折现象；而y01.2 y1时，产生尾浮现象。4、作用在船舶上的作用力及受力分析：4.1作用于船舶上的力在下水过程中，作用于船舶上的力有以下几种：（1） 重力Wo：即下水时船舶的重量，通常是指船舶的空船重量。现代造船要求将造船工程的绝大部分在船台上完成，而且在下水时还可能有一些施工设备、多余材料等尚未清除，因而下水重量完全可能超过空船重量。船舶的重心位置：对下水计算而言通常主要是重心的纵向位置，以xgo表之，表示重心距尾垂线(A.P)的纵向距离。若取船舶重心的垂线作为坐标原点，则其重心xg则取为0。(2) 浮力Fc与浮心xc：当船舶尾部开始浸入水中，浮力就产生了，浸入水中船舶的体积V与水的比重的乘积就是浮力，即Fc=V。船舶浸入水下的体积中心（浮心）的纵向位置即浮心距船舶重心的距离为xc。（3） 气囊的支持力P及支持力合力的中心距船舶重心的距离xp，当船舶置于气囊之上而气囊又置于船台之上时，船体重量作用于气囊，形成对气囊的压力，即为气囊承载力。其反作用力称为气囊的支持力。（4） 气囊的浮力QF：当气囊滚动到浸入水中时，气囊即产生浮力。当气囊脱离船台，气囊的承载力消失，气囊在水中的位置无法稳定，在船体运动冲击力作用下，很快脱离船体，其对船舶的浮力视为消失。相对于船体产生的浮力及气囊支持力而言，气囊本身产生的浮力是一个小量，在近似计算时可以忽略。（5） 船舶下滑力及动摩擦力：船舶置于倾斜船台上，其重力在其运动方向产生的分力将克服摩擦力下滑，因此，在下水前，静置于气囊上的船舶在拆去船墩后，将有自动下滑的趋势，故必须以适当的锚固力，或以绞车的拉力将其固定。（6） 船舶下滑运动的惯性力：船舶克服摩擦力下滑，初期是船舶依靠其惯性运动的加速过程，当船舶入水后因产生运动阻力，使其减速，最终运动停止。（7） 制动力： 船舶下水通常是上述六种力的综合作用，其他如风、浪、气流产生的作用力是随机产生的干扰，在下水时应尽力避免。4.2.力与力矩的平衡方程下水前，船舶完全静置于许多的承压气囊之上，当由空压机给每个气囊充气达到额定压力时，其工作高度（包括压缩率、承载力）将船舶与船台之间的距离有关，亦即随着船体纵倾度与船台斜度的相对变化而变化，因此承载力沿船长方向的分布可近似呈曲线分布状态。当船舶下水时，船体将沿船台向外延伸，随着被水淹没部分的增大，浮力产生了，且气囊与船体接触的长度将减小，总的承载力亦将减小，但无论何时，如果略去气囊本身入水后产生的浮力（本计算将略去此力的影响，将是偏于安全的），下列二式总是成立：此二式称为力与力矩平衡方程。F + P = WoFxc + P xp=0式中：F 船体入水时产生的浮力（t） Xc船体入水体积的浮心到船舶重心的距离（m） （定义浮心在重心之后为负） P气囊支承力之总和（t） Xp气囊支承力之重心距船舶重心之距离（m） QH气囊浮力之总和（t） Xg气囊浮力之重心距船舶重心的距离（m） 在下水过程中，船体的倾斜度、气囊的工作高度、气囊支持力的分布都将发生变化，也就是说，由于气囊是个柔性体，在一定几何变形范围内，可以进行自身调节，以满足以上二式成立的要求。 因此，设定某一个“下水水位” 及某一个滑行行程，应对可能产生的船体斜度进行计算，由此以求得最终的“平衡状态”。 4、3、 4、4气囊的承载力的分布形式 船舶沿船台斜度下滑之后，气囊支承力随之而变。我简化计算，在初步计算中，气囊沿船舶纵向（即下水方向）支持力的分布可以假定为以下二种形式（如图3所示）： （1）梯形分布 图3. 气囊支持力的2种分布 当浮力较小（水位较低或船舶下滑移动量较小）时，船体重量大部分由气囊支持力承担，可近似将气囊沿船长方向每米的承载力设为梯形，此时有以下力学关系： 梯形面积：P（PaPb）Lx/2 式中：Lx为气囊与船台接触的长度 梯形面积形心到船台末端的距离x可由下式确定： X=Lx（） 当Pb0时，梯形转化为三角形，此时x1/3Lx 当Pa0时，梯形转化为三角形，此时x2/3Lx 在一般情况下，面积形心位置应在1/3Lx到2/3Lx之间移动。 （2）三角形分布： 当船体相对于水平线呈现有一个倾斜角时，且（船台的倾斜角）或，此时各气囊产生的压缩变形将有所变化，如果假设船台的倾角与船体倾角均保持常数，则气囊压缩后的工作高度呈线型变化，则有以下简单几何关系： （y1+Lxtg0-yo）/ Lxtg 或 y1 - yoLx（tg-tg0） 式中：yo 船台末端气囊的工作高度 Y1 船台前部气囊的工作高度 取y1 气囊原始未被压缩时的直径，例如y11.5m 由此： yo1.5 - Lx（tg-tg0） 从力的三角形分布图（图b）可知，当船体首部仰起，倾角较大时，船体与船台的间距大于气囊自由态直径D时，气囊将不支持船体的重量。气囊的有效长度Lx可由三角形的几何关系求得，即：Lx3x。 而单位支持力的最大值为：Pa max2P/ Lx=2P/3x 5、 气囊下水的静力学计算程序5.1.辅助计算表5.2.气囊计算框图计算已知条件：船舶参数：垂线长Lbp、型宽B、方形系数Cb、空船重量Wo、空船重心距尾垂线距离Xgo、 空船首尾吃水dFO、dAO，船舶型线图、静水力计算数据表、邦金曲线数据表。船台参数：船舶尾垂线距闸门距离L2，船台各段倾斜度0、1、2；各段长度： l0、l1、l2；各折点水位高程i，在闸门外船台延伸长度li及水位高程。气囊参数：气囊型号、标准号、直径D，气囊性能曲线图或数据表（气囊压缩性能曲线 及气囊单位长度承载力曲线）、气囊的许用承载力P.计算程序图：辅助计算曲线数据表 形成邦金曲线插值数据表（船舶浮力、浮心与尾吃水、倾斜度关系表） 设定下水水位 （计算船台末端水深h0） 完成全部行程计算 设定船舶滑行行程Ls 计算船舶重心距船台 恰当 判断下水水位 不当 末端距离S=LsXgo 是否恰当 计算完成 转入框再计算 设定船舶倾斜度tg 设定船台末端 气囊工作高度y0 计算前端气囊距末端几何长度 LxLbpLs 计算前端气囊工作高度y1 计算气囊支持力长度Lx比较Lx与Lx取气囊分布力最小长度Lx1为：Lx与Lx小者确定尾吃水dA计算浮力Fc、浮心Xc 由力与力矩方程求出气囊承载力P、重心位置Xp 校核承载力重心位置Xp是否在气囊分布长度之内 在 不在 确定支持力 计算失败 分布形式 调整y0 ，转入6框 三角形分布 梯形分布 在y0可能范围内 均失败转入5框 求得气囊最大承载力Pmax PmaxP PmaxP校核Pmax 合格 不合格 另行设定Ls ，转入3框 失败：应更换气囊或调整水位 转入2 框重新计算。5.2计算程序说明： 本计算程序的设计采用逐步近似的选代法。（1） 邦金曲线插值数据表（框） 这是本计算必备的辅助计算表。对船体曲面用样条函数进行拟合，以求得在不同倾斜水线及不同吃水条件下的船体入水体积及浮心。 （2）设定下水水位（框） 下水水位是影响下水安全的最重要因素。在计算时应采用在该地可以使用的最高水位，争取通过一次或少量的近似选代计算即可成功。水位及水面即水面高度在中国沿海通常以“黄海高程”表示。下水作业应充分利用潮差（当地的潮汐表）进行。在低潮位或关闭闸门时，进行各项下水的准备工作，包括布置气囊、换墩、移墩，将船舶移至闸门边或最靠