80,000t级整体式浮船坞的拖航工程设计

16.82
10
复原力臂曲线下面积（0-16.8º）/m.rad
≥0.08
1.738
11
稳性衡准数 K
≥1
85.62
4 强度校核
4.1 总纵强度 按《规范》的相关要求[6]，当浮船坞处于拖航状态时，在考虑了波浪弯矩的作用后，许用弯曲应力
为 175N/mm2。本次设计的计算结果如下：
波浪弯矩：
MW(±) = ±1.315×106 kN·m
浮船坞的主尺度及主要参数见表 1。
总长 /m
182.00
浮箱长 /m
182.00
坞墙长 /m
162.00Biblioteka Baidu
表 1 浮船坞的主尺度及主要参数
外宽 内宽 型深 浮箱型深 坞墙宽
/m /m /m
/m
/m
47.25 40.25 18.00 5.35
3.50
拖航吃水 /m
3.00
拖航排水量 /t
26944.0
1.3 拖船的主尺度及主要参数
拖船的主尺度及主要参数见表 2。
船级 CCS
总长 /(m
98.00
型宽 /m
15.80
表 2 拖船的主尺度及主要参数
型深 吃水 总吨 净吨
/m
m
8.00 6.94 3883 1164
主机 /kW
7650 ×2
系柱拖力 /kN
1961
2 适用法规和规范
根据浮船坞的船旗国和船级以及预计航行的海域，本次拖航适用中华人民共和国船舶检验局《船舶 与海上设施法定检验规则——海上拖航法定检验技术规则（1999）》（以下简称《拖航法规》），中华人民 共和国海事局《国内航行海船法定检验技术规则（2004）》（以下简称《航行法规》）和中国船级社《浮 船坞入级与建造规范（1992）》（以下简称《规范》）。同时，本文的部分工作还参照了中国船级社《海上 拖航指南（1997）》（以下简称《指南》）和中国船级社《钢质海船入级与建造规范（2001）》（以下简称 《钢规》）的相关内容。
6.3 固定坞吊的局部结构的有限元分析 为了校核桁架的结构强度、桁架与主船体连接处的强度及坞墙根部的局部强度，特别建立了局部结
构的模型，并进行了有限元分析。为了保证计算精度、消除边界条件的影响，长度方向上取了 5 个强肋 骨框架，宽度方向取了从外板到 8500 纵桁的范围，共取了 15m 长、15.125m 宽的一段为计算区段。图 4 是所建立的几何模型图，图 5 是局部单元网格图。
3 稳性与浮态
为了减少在拖航中所受砰击的影响，浮船坞应有适当的拖航吃水，并具有一定的艉倾[2] [3]。本次拖 航的平均吃水约为 3m，艉倾约为 1m。这一浮态是按照配载方案通过调节压载水而实现的。
为了做出一个较好的配载方案，需要综合考虑稳性、强度等多方面因素，后文中将对此给予说明。 根据《航行法规》的相关条文，本浮船坞符合非自航箱形海驳的定义，航区为近海航区，需按《航 行法规》对近海航行的非自航海驳完整稳性的相关要求进行完整稳性校核[4]。 相对于船长、型深和吃水，浮船坞的船宽较大，从而初稳性高 GM 值也较大，完整稳性指标的裕 度很大。表 3 中，浮船坞拖航状态完整稳性的计算结果证明了这一点。由此可见，浮船坞的完整稳性不 是拖航工程设计的主要矛盾。
6 系固强度
6.1 概述 甲板上和舱室内的货物及设备机械等在拖航中应可靠地绑扎和固定。在实践中一般使用角钢与船体
焊接固定（或用钢丝绳系固），并按《指南》中附录 1 的要求进行系固强度校核[7]。本次拖航浮船坞抬 船甲板上载运的坞墩、首尾平台分段就是按上述原则进行固定的。除上述货物外，浮船坞顶甲板上还载 有 2 台坞吊。吊车的重量大、重心高，而顶甲板的宽度只有 3.5m，吊车固定困难。所以吊车的封固方 案需作特别设计。
经计算，本次拖航状态的最大静水弯矩为 1.186×105 kN·m，远小于许用静水弯矩。
4.2 扭转强度、横向强度和局部强度 由于浮船坞的坞墙高度很大，宽度较小，受力情况比较复杂，采用传统的梁理论的简化方法进行计
算是不足的。因此，将整船结构作为一个整体，应用船舶结构直接计算方法进行强度分析是很有必要的。 该方法主要是在船舶外载荷分析的基础上，采用有限元方法，对船体结构进行整船的准静态三维有限元 强度分析，计算出船体结构的变形和应力分布，并与相应的强度衡准进行比较，从而对船体强度是否满 足要求做出判断。该方法能够考虑到船体各横剖面的结构特性，而且也能够计及船体纵向结构变化的影 响，是评价船体强度的一种有力手段。
模型中主要构件采用壳单元，纵骨等次要构件采用梁单元，网格为 200×200 的四边形。约束纵舱 壁和外板两端的垂向、纵向线位移以及甲板和底板两端的横向、纵向线位移；载荷以惯性力的形式施加， 控制密度使得吊车质量为 150t，垂向加速度为 9.81m/s2，横向加速度为 10 m/s2。
计算结果表明，吊车引起的主船体的整体应力水平很低（小于 30MPa），最大应力点出现在坞墙根 部和槽钢与船体连接处，相当应力分别为 98MPa 和 120MPa，属于局部应力；整个结构的强度满足要求。
图 1 拖力点布置
5.2 拖力眼板的设计 拖力眼板、缆桩或掣链器等都可以作为拖力点[5]。由于拖力眼板的结构形式简单可靠，故本次拖航
采用拖力眼板的结构形式，如图 2 所示。
A视
A视
图 2 拖力眼板示意图
龙须链的破断负荷为 2548kN，相应地根据《拖航法规》相应的要求，拖力眼板的最小破断负荷达 到 3312kN（龙须链破断负荷的 1.3 倍）。由于受龙须链链环的外形尺寸限制，拖力眼板要达到这一强度 的关键在于两点：一是销轴的弯曲强度，二是支架板的剪切强度。
5 拖力点的设计
5.1 拖力点的位置 拖力点的位置的选定主要与航向稳定性、龙须链的受力和船体纵、横舱壁（或强构件）的布置有关。
两条龙须链间的夹角过大会导致其受力增加，过小又会造成浮船坞偏荡过烈，一般定在 60º～90º 为宜。 根据抬船甲板下强构件的位置，经与拖船公司讨论后，确定了图 1 所示的拖力点位置；拖力点下方为纵、 横舱壁相交处，两条龙须链的夹角为 75º，符合要求。
销轴的弯曲应力： σ = 74 kN/cm2 < σs = 78.5 kN/cm2 支架板的剪应力： τ = 20.1 kN/cm2 < τs = 21.3 kN/cm2 从计算结果可见：拖力眼板的强度裕度不算大，但考虑到计算中所取的龙须链作用在拖力眼板上的 力已经是龙须链破断负荷的 1.3 倍，而且由于材料的塑性性质，钢材在达到屈服极限后还有一个应力重 新分配的问题，所以可以认为设计是安全可靠的。
表 3 拖航状态稳性汇总表
序号 项
目
要求衡准
拖航状态
1
排水量/ t
26944
2
平均吃水/ m
3.043
3
艏吃水/ m
2.510
4
艉吃水/ m
3.576
5
重心纵向位置/ m
1.066
6
重心高度/ m
3.292
7
初稳性高度 GM / m
50.387
8
稳性消失角/（º）
≥30
60
9
最大复原力臂对应角/（º）
剖面模数： 顶甲板处 Wd = 11.78 m3
坞底处 Wb = 23.18 m3
许用合成弯矩：
M = 2.0615×106 kN·m
许用静水弯矩：
M S (±) = ±7.465×105 kN·m
因为浮船坞水线以下是箱型，为了尽量降低静水弯矩值，采用沿船长方向均匀加载压载水的配载方 案。其结果是所有舱都不是满舱，增加了自由液面，GM 值会有所降低。但是由于浮船坞的稳性指标的 裕度很大（前文中已提到），而且 GM 值的降低会增加横摇周期，从而有利于提高坞上人员的舒适度和 坞上载运货物的系固强度，所以，这种配载方案是合适的。
由于浮船坞的造价上亿元，并且拖航时坞上一般都有相关人员随行；所以，一旦发生危险，后果将 不堪设想。与普通驳船或常规海损船相比，浮船坞有着自身的结构特点和船型特性；另外，相对于一般 船舶而言，可供参考的浮船坞拖航实例也比较少。由此可见，将浮船坞的拖航作为一个工程问题进行全 面、深入的研究是十分必要的。
本次拖航的浮船坞上留有 6 名工作人员。根据《拖航法规》，被拖物上搭载乘客不超过 12 人时，对 破舱稳性不作要求[5]。但是为了保障安全，本次拖航工程设计采用一舱破损制（船艏或船艉仅取 1 个压 载水舱）和确定性方法（损失浮力法）进行了破舱稳性的计算。计算结果表明，一舱破损后稳性和总纵 强度仍能达到衡准的要求。
80,000t级整体式浮船坞的拖航工程设计
蒋志岩1，林华2，王文正1，吕洋1
(1. 大连中远船务工程有限公司，大连 116113； 2. 中远船务工程集团有限公司物资管理中心，大连 116600)
摘要
该文以一艘80,000t级整体式浮船坞拖航为例，从被拖物的角度对拖航工程设计的步骤及工作内容做了 系统阐述；在此基础上，针对浮船坞的特点对浮船坞拖航的技术难点做了进一步的探讨。由于浮船坞的拖航 阻力较大，拖力点的选取和拖力眼板的设计便成为浮船坞拖航设计的一项重要工作；鉴于浮船坞的强度校核 关乎整个拖航工程的安全，该文利用有限元方法对浮船坞进行了整船有限元分析，既校核了拖航状态下的扭 转强度、横向强度和局部强度，也对按规范进行的总纵强度校核做了进一步的验证。坞墙既高又窄的结构特 点使得对坞吊进行就地有效封固成为一项特别困难的工作，为了节约将坞吊拆卸再安装的高额成本，对其进 行了专门的绑扎设计。
吊车封固的最初方案是将坞吊拆卸后放置在抬船甲板上，以便降低重心高度，从而减小吊车随船舶 摇摆产生的加速度。另外由于将吊车靠近坞墙并且抬船甲板很宽，因此只需要按常规的绑扎方法就能达 到系固强度的要求。
但后来考虑到一台吊车除去吊臂和配重后的重量仍然超过 100t，受工厂起吊能力的限制，无论是在
大连的拆卸还是到达广州后的安装都存在着很大的难度。因此本着方便施工、节约成本的原则，最终决 定在保证安全的前提下，按就地封固的方案进行设计。
一般而言，接受委托并执行拖航作业的拖船公司只负责制定拖航计划，而与浮船坞相关的拖航工程 设计往往由委托方负责[1]。本文以 1 艘 80,000t 级浮船坞为例，从被拖物的角度对浮船坞的拖航工程设 计作一简述。
-----------------------------------------------------------------------------------------------------收稿日期：2010-06-13；修改稿收稿日期：2010-06-25
1 航次概述
1.1 任务简介 本次拖航是将 1 艘 80,000t 级整体式浮船坞由大连拖往广州。拖船公司根据浮船坞的主尺度、拖航
距离、拖航航线的海况等，在估算出拖航阻力的基础上选择了合适的拖船（1 艘），出具了拖航计划， 设计了具体的航路。拖航的起拖时间为 11 月中旬。
1.2 浮船坞的主尺度及主要参数
本次拖航设计进行了全船有限元分析，既校核了拖航状态下的扭转强度、横向强度和局部强度，也 对按规范方法进行的总纵强度校核做了进一步验证。计算结果表明：在浪高 3.5m，6 级风的海况下，按 配载方案进行压载后的浮船坞以 5kn 航速航行时，总体合成应力水平在 100Mpa 左右，最大合成应力为 135Mpa（出现在舯剖面附近），能够满足强度要求。
关 键 词：浮船坞；拖航；有限元方法；总纵强度；绑扎系固 中图分类号：U661.43 文献标识码：A
0 引言
作为大型的修造船设施，浮船坞的建造港与使用港经常位于不同地域；由于买卖、转让、租借等原 因，也可能使浮船坞的使用港在其服役期内发生变化。鉴于浮船坞没有自航能力，因此必须借助拖船对 其进行拖航作业，以达到变换使用港的目的。
6.2 坞吊的封固方案 按《指南》中附录 1 的相关公式进行的计算的结果表明：计及风载荷后的横向加速度达到 10m/s2
（纵向加速度仅为约 2m/s2），而顶甲板的宽度又只有 3.5m；因此，横向系固强度是设计的主要矛盾。 为此，特别设计了一组桁架结构并将其与坞吊和坞体焊接用以支持吊车。图 3 是桁架结构的示意图。其 中杆件为 400×300×10 方管状焊接结构。
为了提高销轴的弯曲强度，将其截面设计成跑道圆的形状（充分利用空间）并采用了 40Cr 的合金 结构钢。提高支架板的剪切强度有两条途径，一是增加剪切面积，二是通过改变材质提高其许用应力。 由于受链环尺寸限制，增加剪切面积只能靠增加板的厚度（包括加覆板）来实现；而材质的选择要考虑 其与抬船甲板的可焊性。综合上述因素，决定采用 50mm 厚的 AH36 的高强度钢。计算结果如下：