近年來，船舶氣囊下水工藝技術(shù)因其投資少、見效快等優(yōu)勢，在民營造船企業(yè)得到了迅速推廣。但隨著船舶噸位和長度的增加，艉機(jī)型船在艉浮前易發(fā)生“艉下垂”現(xiàn)象，造成船底結(jié)構(gòu)由于少數(shù)氣囊支撐而局部受損。因常規(guī)的靜水計(jì)算方法已不能準(zhǔn)確的預(yù)測上述現(xiàn)象。所以需要測試手段修正理論計(jì)算，提出更科學(xué)的計(jì)算方法，以適應(yīng)現(xiàn)代船舶建造質(zhì)量和對(duì)安全控制高標(biāo)準(zhǔn)的要求。

本文主要是采用動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀對(duì)21.500t散貨船在下水過程中的船底及上甲板應(yīng)力變化進(jìn)行測試，分析研究船舶重力式氣囊下水過程對(duì)船體結(jié)構(gòu)應(yīng)力的影響。

船臺(tái)參數(shù)

下水船舶總長167.5m，水線長161.2m，垂線間長158.0m，型寬23.0m，型深12.8m，自重約610t。

測試儀器

儀器采用南京聚航科技有限公司的JHDY動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀，提供配套軟件，多通道可同時(shí)實(shí)時(shí)顯示曲線和所需物理量。軟件自動(dòng)生成測試報(bào)告，可在線打印。儀器精度高，測量結(jié)果準(zhǔn)確。

應(yīng)力測點(diǎn)布置

船底應(yīng)力測試點(diǎn)位于105#肋位外底板內(nèi)側(cè)，甲板上的應(yīng)力測試點(diǎn)位于105#肋位上甲板處，應(yīng)變片順船長方向布置。

測試結(jié)果與討論

設(shè)置同步信號(hào)，以船舶下水的實(shí)際時(shí)間統(tǒng)一所有測試的結(jié)果。

甲板應(yīng)力測試結(jié)果

從圖1可以看出，在11:26:07下水時(shí)間之前，上甲板測點(diǎn)應(yīng)力值恒定在5Mpa左右，船舶置于氣囊上呈微中垂?fàn)顟B(tài)；在下水時(shí)刻為11:26:08-11:26:33階段，測點(diǎn)處應(yīng)力由壓縮轉(zhuǎn)變?yōu)槔欤⒀杆僭龃蟮郊s53MPa。此時(shí)，船舶處于中拱狀態(tài)，且向水域移動(dòng)了約72m；在下水時(shí)刻11:26:33-11:26:47階段，船舶由中拱迅速轉(zhuǎn)化為中垂?fàn)顟B(tài)。此時(shí)，由于浮力大部分集中在船艉，浮力矩較大，使測點(diǎn)處的最大壓縮應(yīng)力達(dá)到約40MPa；下水11:26:47-11:27:00階段，船舶逐漸起浮，由于船艉浮力向船艏分散使船舶中垂?fàn)顟B(tài)減弱；至11:27:00后船舶全浮，船舶在自重和浮力的作用下處于中垂?fàn)顟B(tài)，測點(diǎn)應(yīng)力值約為15MPa。

船底應(yīng)力測試結(jié)果

由圖2船底應(yīng)力測試結(jié)果可以看出：

1. 在11:26:08以前，船體擱置在上加速向水域移動(dòng)，在重力的作用下自由變形，測點(diǎn)處以拉伸應(yīng)力為主，應(yīng)力的大小隨氣囊滾過該測點(diǎn)的位置有規(guī)律繞一水平軸變化，船底支撐氣囊數(shù)目未變，氣囊尚未入水：在船舶下水時(shí)間11:26:08-11:26:33，部分氣囊滾入水中，船底支撐氣囊數(shù)量隨船體的下滑而減少，105#肋位的船底應(yīng)力由拉伸應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)閴嚎s應(yīng)力并呈現(xiàn)出有規(guī)律地增大，到11:26:33時(shí)僅有少數(shù)氣囊支撐，此時(shí)應(yīng)力達(dá)到最大值約為400MPa；在下水時(shí)間11:26:35左右，測點(diǎn)處附近的壓應(yīng)力在較短的時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)變?yōu)槔鞈?yīng)力，表明測點(diǎn)處已沒有氣囊支撐，105#肋位橫截面已移出船臺(tái)，船體僅受自身重量，浮力及首部少數(shù)氣囊支撐而平衡；在下水時(shí)間為11:26：35-11:27:00階段，起初由于船艉入水后浮力較為集中，船體梁在艉部集中的浮力、自重及艏部氣囊反力的作用下保持平衡，測點(diǎn)處拉伸應(yīng)力較大約為250MPa，隨后，大約在下水時(shí)刻為11:26:35時(shí)，船體起浮，船底艉部集中的浮力逐漸沿船長方向分散，測點(diǎn)處拉伸應(yīng)力也減少；在11:27:00后船舶完全入水，船體處于自由中垂?fàn)顟B(tài)；船底總縱彎曲應(yīng)力約為100MPa。

2. 從船底測點(diǎn)處應(yīng)力變化可知，其最大值已超過許用應(yīng)力，必須采取加強(qiáng)措施，或?qū)ο滤桨高M(jìn)行進(jìn)一步改進(jìn)。

縱向傾角測試

為了進(jìn)一步研究船舶在下水過程中縱向角度變化，以判斷船舶是否發(fā)生艉落傾斜，采用傾角儀對(duì)縱向角度進(jìn)行測量，傾角儀安裝在第三貨艙約80#肋位內(nèi)底板縱中剖面，從圖3可以看出，滑行開始階段，下水船舶縱向角度變化不大，約為0.3°，約為氣囊初始高度及船臺(tái)傾角；當(dāng)下水時(shí)間約為11:26:33時(shí)，船舶縱向角度由0.3°突然增加到2.8°；在11:26:47-11:27:00階段，浮力矩的增加使船舶縱向傾角變回1.2°，隨后在11:27:00時(shí)刻后，在船長方向上船體自身重量、浮力及波浪等因素的作用下縱搖并自由平衡，縱傾角約為1°。

結(jié)論

通過對(duì)該船105#肋位上甲板和船底應(yīng)力的測試分析及下水船舶縱向角度的測量，可以得到如下結(jié)論；

1. 該船在下水過程中發(fā)生艉落現(xiàn)象，而之前預(yù)測的艉下垂現(xiàn)象并不明顯；發(fā)生艉落時(shí)，局部結(jié)構(gòu)可能因船臺(tái)末端少數(shù)氣囊的支撐發(fā)生了永久性變形；

2. 在船舶氣囊下水過程中，船舶結(jié)構(gòu)應(yīng)力的變化主要取決于船舶下水重量、重心的縱向位置、潮位的高低、船臺(tái)及氣囊下水的工藝等因素。當(dāng)下水潮位一定時(shí)，下水船舶的重心縱向位置靠前，這會(huì)造成艉浮時(shí)艏部氣囊反力值過大，而縱向位置過后又會(huì)造成滑行過程中船臺(tái)末端反力值過大，甚至出現(xiàn)彎折。另一方面，當(dāng)其他因素一定時(shí)，船臺(tái)的坡度和水下延伸長度也會(huì)影響氣囊下水過程中船體的應(yīng)力變化，延長船臺(tái)在水中的長度，增加艉浮前支撐船體的氣囊總數(shù)，使船底集中應(yīng)力分散，有利于改善船體結(jié)構(gòu)性能；至于這些因素的改變對(duì)船體結(jié)構(gòu)性能的改善程度有待進(jìn)一步計(jì)算論證。

3. 綜上所述，由于氣囊的工作高度，使下水潮位相對(duì)降低，因此利用氣囊下水時(shí)，船舶發(fā)生艉落現(xiàn)象的幾率較大；高噸位船舶下水時(shí)，需采取局部結(jié)構(gòu)加強(qiáng)，延伸船臺(tái)，改變坡度及船臺(tái)改造半潛等措施予以改善。