浮船坞是船舶修造行业的重要设施。随着船舶的大型化发展,浮船坞尺寸也越来越大,保证浮船坞的结构强

度显得尤其重要。[1]为保证结果的准确性,在计算和分析浮船坞强度时必须选择一种行之有效的方法。本

文根据《浮船坞入级规范》(2009)要求,采用大型商用有限元仿真软件PATRAN和NASTRAN对该特种船舶的结

构进行强度分析。该方法可以显示整艘船的应力和变形,为后续施工奠定基础。

1 船型介绍
本船为115 m钢制内河浮船坞,浮船坞的主要参数及纵向布置图分别如表1和图1所示。

表1 115 m浮船坞船型参数     下载原表

 表1 115 m浮船坞船型参数
 图1 115 m浮船坞纵向布置图
图1 115 m浮船坞纵向布置图   下载原图

2 浮船坞横向强度校核
2.1 有限元模型
建立有限元模型所选取的坐标系是通过右手原则确定的[2],坐标系中x、y、z方向分别与船坞的纵向、横向

和垂向相对应。有限元模型在纵向上取中间的全舱室和与其相邻两舱室的1/2舱室(#48-#112),在横向上取

整个船坞宽度,在垂向上取整个船坞深度,如图2所示。本浮船坞的材料特性为:弹性模量E=2.1×1011N/m2;

泊松比γ=0.3;材料密度ρ=7.85×103 kg/m3。根据《浮船坞入级规范》(2009)规范“附录1浮船坞横向强

度直接计算校核”§3.1.3.1的规定施加边界条件[3],浮船坞边界约束如图3所示。

 图2 有限元模型
图2 有限元模型   下载原图

 图3 浮船坞边界约束
图3 浮船坞边界约束   下载原图

2.2 载荷与工况
根据船坞在实际工作中的具体环境和状态,计算负载应不少于以下5种[4]:(1)浮船坞的自身重量;(2)作用于

龙骨墩上的进坞船的重量;(3)船坞底部外水压力和舷外水压;(4)浮箱甲板浸入水中所产生的水压力;(5)压

载水舱对于船体内板的水压力。

根据船坞的实际工作状态,在进行计算时,主要选择以下3种工况。工况1:浮船坞正常工作时。这种工况是浮

船坞在不装载任何压载的情况下,船中位置放置进坞船,浮船坞在船体中心线上承受进坞船的负荷。工况2:

龙骨墩抬升状态时(提升到龙骨墩的位置)。这种工况是甲板上的龙骨墩在考虑浮箱内部压载时刚刚离开水

面时的状态。浮力对进入船坞的船舶所产生的影响尚未考虑在内。工况3:在浮沉状态下可能发生的危险工

作状态。这种工况下进入浮船坞的船舶已经有一部分船身进入水中,受到了浮力的作用,即进坞船舶脱离浮

箱的反作用,此时浮船坞吃水取决于其自身的压载水保存量,浮船坞主要受内外水压两种载荷的作用。由于

该浮船坞主要工作区域为内河,且通常都是处于停泊状态,在计算横向强度时,不考虑波浪的影响,这在规范

中有很明显的体现。

2.3 计算结果分析
通过对以上3个工况的计算,当浮船坞处于工况2(龙骨墩出水)时,其甲板横向梁和纵舱壁上的最大应力值与

许用值十分接近;甲板板和横舱壁上的应力略微超过许用值,这一区域必须对主要结构部件进行加强处理,增

加浮船坞的横向强度,使其强度符合规范要求。工况2计算应力云图如图4至图7所示。

经过分析选取了三种加强措施:

加强措施A:改变甲板厚度,调整位于船中宽度5.5 m范围内甲板的厚度,由9 mm加厚至11 mm。同时,连接横舱

壁的甲板厚度由9 mm加厚至13 mm。

加强措施B:改变舱壁厚度,调整位于船中宽度5 m范围内的横舱壁厚度,由7 mm加厚至11 mm,中间纵舱壁的厚

度由7 mm加厚至9.5 mm。加强措施

加强措施C:增加对角支撑,在船中左右2.5 m处增加两道纵向支撑,纵向支撑的尺寸为L75×75×7。

 图4 浮船坞甲板应力云图
图4 浮船坞甲板应力云图   下载原图

 图5 浮船坞甲板横梁应力云图
图5 浮船坞甲板横梁应力云图   下载原图

 图6 浮船坞横舱壁板架应力云图
图6 浮船坞横舱壁板架应力云图   下载原图

 图7 浮船坞纵舱壁板架应力云图
图7 浮船坞纵舱壁板架应力云图   下载原图

2.4 模糊综合评判
针对上述115 m浮船坞的三种结构加强措施进行模糊综合评价:

(1)因素权重集。经过计算U的因素权重集A为:

 
其中,结构强度0.36、结构建造0.34、成本控制0.3。

U2的因素权重集A2为:

 
其中,焊接要求0.37、切割工艺0.35、装配难易0.28、涂装要领0.20。

(2)确定评价对象的评语集。这三种加强措施中取一种最优的措施。其评语集V可表示为:

 
其中V1、V2、V3分别表示加强措施A、加强措施B和加强措施C。

(3)量化指标。三种加强措施的量化指标如表2所示。

表2 量化指标     下载原表

 表2 量化指标
除了上述三个因素外,还可以通过建立系数的方法来确立结构强度、成本控制和切割过程。某一因素对评估

对象的精确程度很大程度上与实际计算值和参考值两者之间的比值有关。横向强度最大应力值往往用来表

征结构强度的大小;切割过程可以通过切割长度和切割要求来判断;成本控制可以通过实际重量和材料计算

成本来衡量,如表3所示。

表3 三项因素的量化指标     下载原表

 表3 三项因素的量化指标
(4)二级模糊评判。根据表3的量化指标,焊接要求、切割工艺、装配难易及涂装要领的评判矩阵为:

 
由此可得U2结构建造模糊评判集为:

 
(5)一级模糊评判。采用上述方法,可得到U的模糊评判:

 
利用模糊综合评价法对三种加强措施进行评价,通过计算确定加强措施B优于另外两种加强措施。

3 总纵强度分析
3.1 有限元模型
总纵强度计算有限元模型如图8所示。

3.2 载荷及工况
 图8 浮船坞有限元模型
图8 浮船坞有限元模型   下载原图

根据船坞的实际工作状态,在进行计算时,选择正常工作状态作为计算工况。载荷包括永久载荷浮船坞自重

、可变载荷进坞船的重量,为方便载荷的添加,将进坞船的重量假定全部作用于龙骨上。浮船坞浮箱还需要

承受排水时增大的外部水压力、浮箱甲板承受的水压力以及波浪载荷。

3.3 计算结果分析
计算应力云图如图9所示:

(1)甲板上出现了较大应力,主要原因是工作状态下的重力和浮力等载荷对浮船坞的影响。最大应力值为186

MPa,小于许用值215 MPa,但余量不大;

(2)内部骨架的最大应力主要出现在坞墙的两端,并且发生应力集中的可能性较高;

(3)由于舷外水压力较小,且不受船舶进坞的影响,舷侧应力值较小,且应力计算值可以保证拖航的安全状态,

因此对于本浮船坞纵向强度而言,拖航条件相较于其他工况影响较小。

 图9 总纵强度整船应力云图
图9 总纵强度整船应力云图   下载原图

4 下水强度分析
波浪无法在船舶在下水过程中影响其总纵强度,并且与水接触区域的面积很小。然而,由于船体局部的负荷

和水压力载荷的作用,它将对总纵向强度产生一定的影响。本船采用纵向下水,有限元模型如图10所示。下

水过程中的载荷主要包括:自身的重力、端部浮力和前支架的反作用力。根据利用的重力加速度和密度保证

结构自重,浮船坞末端的浮力取决于从前部计算的船尾浮动运动的距离,前支架的反作用力根据图11确定。

下水过程总纵强度计算应力云图如图12所示,由此可以得到如下的结论:

 图1 0 浮船坞下水有限元模型（倾斜角度为3°）
图1 0 浮船坞下水有限元模型（倾斜角度为3°）   下载原图

 图1 1 浮船坞下水载荷施加
图1 1 浮船坞下水载荷施加   下载原图

(1)水压力为船舶尾部与水接触的区域受到的主要载荷。同时浮力也会影响局部区域,并且使得船体产生向

上的弯曲变形。

(2)支撑前支架位置处的应力云图颜色最亮,表明浮动支架局部的应力很大。该位置是下水的第二阶段应力

最严重的地区,需考虑采取强化措施,如增加支架宽度、调整支架位置等。

(3)船舶末端平台上的上下水压力相互平衡且抵消,平台上受到的压力载荷较小。

 图1 2 整船应力云图
图1 2 整船应力云图   下载原图

5 结束语
本文建立了115 m内河浮船坞有限元模型,根据《浮船坞入级规范》(2009)关于浮船坞的相关规定,利用直接

计算法验证各个主要构件的横向强度,根据计算结果提出三种加强措施,并利用模糊综合评判方法选取最优

的结构加强措施;对浮船坞进行总纵强度分析,并利用有限元仿真软件对船坞下水时的强度进行了直接分析,

保证了下水过程中的安全。