半船移位受力分析及運動仿真研究

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(1.江蘇科技大學 船舶與海洋工程學院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003；2.上海外高橋造船有限公司，上海 200137)

大型造船企業(yè)為了提高船塢的利用效率，采用串聯(lián)造船法，即在船塢首端建造第一艘船的同時，在船塢的尾端建造第二艘船的尾部，待第一艘船下水后，將第二艘船尾部移至船塢的首端，繼續(xù)吊裝其他分段建造整艘船體。與此同時，建造第三艘船的尾部，依此類推。上述船塢串聯(lián)造船法要求船塢長度大于1.5倍船長，即船長方向要保證能夠同時串聯(lián)放置一艘半在建船舶。上海外高橋造船有限公司的2號船塢長360 m，寬76 m。建造載重量17.5萬t散貨船的總長約為280 m，型寬約45 m，塢長大于船長，但不足1.5倍，塢壁與船艏之間實際工作間隙約為60 m，無法采用縱向串聯(lián)造船法。而將串聯(lián)建造的第二艘半船在垂直于第一艘的方向裝配建造，便形成了橫向半串聯(lián)造船法。橫向半串聯(lián)造船法對于船舶裝配具有與縱向串聯(lián)造船法相同的益處，同串聯(lián)造船法一樣也有一個半船平移的過程，不同之處在于半串聯(lián)造船法還多了一個半船旋轉過程，見圖1。

圖1 半串聯(lián)造船船塢布置示意圖

為確保半串聯(lián)造船法中移位的成功實施，建立半船受力模型，應用仿真計算軟件，對半船的起浮、轉向、平移、落墩過程進行數(shù)學仿真分析，求出半船所受外力隨時間及旋轉角度變化的情況，直觀地描述半船平移及旋轉過程，為安全生產(chǎn)提供理論保障。

1 仿真方法及計算工具的選取

在實際半船移位過程中，半船運動軌跡具有較大的隨意性，不便于展開分析。為此，將半船移位過程分解為旋轉和平移兩個主要階段。移位過程在塢內完成，不需要考慮潮流的影響，外力只考慮拖船的拖力和塢內海水的作用力，忽略風載影響。利用ADAMS可對半船運動情況進行計算機仿真，但由于ADAMS主要面向機械構件的運動仿真，沒有涉及流體的動力分析求解，為使仿真更加接近實際狀況，近似將半船轉動和平移過程都看成是在拖船拉力和水阻力的作用下勻速進行的。先利用流體力學仿真軟件計算求得半船移位過程中受到的水阻力，進而求得半船移位過程中的拖輪拖力，仿真出移位過程[1]。

半船轉動過程中所受水阻力作用復雜，求解困難，采用計算流體動力學(computational fluid dynamics，CFD)思想求解[2]。利用FLUENT軟件對半船以一定角速度勻速轉動過程中所受水的阻力進行求解計算?？紤]到計算效率，采用船舶初步設計軟件MAXSURF的Hullspeed模塊來求解半船平移過程中所受水阻力作用值[3]。

2 仿真過程及結果

依據(jù)上海外高橋造船有限公司提供的半船、拖船、船塢等實體的尺度，分別在ADAMS、FLUENT和MAXSURF中進行建模。

在利用FLUENT計算半船旋轉過程中水阻力時，設定計算工況：半船吃水6 m，在計算中水上部分可忽略不計，旋轉角速度3 600 rad/s。選取計算步長0.3，迭代4 000次。采用分區(qū)非結構三角網(wǎng)格劃分方法。船的原始狀態(tài)見圖2，逆時針方向旋轉。

圖2 計算網(wǎng)格圖

計算得到的等值線見圖3～6，反映了不同時間船體表面流場的動壓和速度分布情況。

圖4 旋轉60 s的速度等值線

圖5 旋轉1 200 s的總壓力等值線

圖6 旋轉1 200 s的速度等值線

從圖3～6可以看出，最后的計算結果是比較合理的。力矩見圖7。

圖7 力矩隨時間的變

利用MAXSURF軟件對半船以一定速度勻速平移過程中所受水的阻力進行求解計算。設定的計算工況的是：吃水6 m，水上部分在計算中忽略不計，半船平移速度u=0.014 m/s。計算得到直航阻力為80 kN。

半船移位仿真中將旋轉過程分為兩個階段仿真：第一階段由拖船拖動半船尾端進行旋轉；第二階段拖船運動到半船右側，由拖船頂推半船旋轉至90°時停止，旋轉過程完成。接下來便是拖船牽引直航和定位落墩。移位仿真過程見圖8～9。

a) 初始狀

圖9 半船平移仿

在半船平移并成功定位落墩后，船塢橫向半串聯(lián)建造法中最重要的環(huán)節(jié)——半船的移位過程就此完成，繼續(xù)吊裝其他分段即可完成整艘船體的建造。在移位過程中，拖船作用力最大值出現(xiàn)在旋轉過程中，為186.65 kN。

3 結束語

通過仿真結果可以清晰地看到，上海外高橋造船有限公司的半串聯(lián)船塢建造法是切實可行的。研究成果將為實際移位過程確定拖輪牽引力及拖輪主機馬力提供理論依據(jù)。通過對半船移位全過程的仿真，可以較為精確地繪制出半船各部位的運動軌跡，對實際移位過程中優(yōu)化移位軌跡，避免移位過程中磕碰塢壁有很好的借鑒作用。

[1] 鄭 凱,胡仁喜,陳鹿民，等.ADAMS 2005機械設計高級應用實例[M].北京：機械工業(yè)出版社，2006.

[2] 范成建,熊光明,周明飛.虛擬樣機軟件MSC.ADAMS應用與提高[M].北京：機械工業(yè)出版社，2006.

[3] 蔣毅文.Maxsurf 及相關設計程序在船舶設計中的應用[J].船海工程，2005(4):38-41.