动态应变仪在船舶气囊下水过程中结构应力应变测试的应用

近年来，船舶气囊下水工艺技术因其投资少、见效快等优势，在民营造船企业得到了迅速推广。但随着船舶吨位和长度的增加，艉机型船在艉浮前易发生“艉下垂”现象，造成船底结构由于少数气囊支撑而局部受损。因常规的静水计算方法已不能准确的预测上述现象。所以需要测试手段修正理论计算，提出更科学的计算方法，以适应现代船舶建造质量和对安全控制高标准的要求。

本文主要是采用动态应变仪对21.500t散货船在下水过程中的船底及上甲板应力变化进行测试，分析研究船舶重力式气囊下水过程对船体结构应力的影响。

船台参数

下水船舶总长167.5m，水线长161.2m，垂线间长158.0m，型宽23.0m，型深12.8m，自重约610t。

测试仪器

仪器采用南京聚航科技有限公司的JHDY动态应变仪，提供配套软件，多通道可同时实时显示曲线和所需物理量。软件自动生成测试报告，可在线打印。仪器精度高，测量结果准确。

应力测点布置

船底应力测试点位于105#肋位外底板内侧，甲板上的应力测试点位于105#肋位上甲板处，应变片顺船长方向布置。

测试结果与讨论

设置同步信号，以船舶下水的实际时间统一所有测试的结果。

甲板应力测试结果

从图1可以看出，在11:26:07下水时间之前，上甲板测点应力值恒定在5Mpa左右，船舶置于气囊上呈微中垂状态；在下水时刻为11:26:08-11:26:33阶段，测点处应力由压缩转变为拉伸，并迅速增大到约53MPa。此时，船舶处于中拱状态，且向水域移动了约72m；在下水时刻11:26:33-11:26:47阶段，船舶由中拱迅速转化为中垂状态。此时，由于浮力大部分集中在船艉，浮力矩较大，使测点处的最大压缩应力达到约40MPa；下水11:26:47-11:27:00阶段，船舶逐渐起浮，由于船艉浮力向船艏分散使船舶中垂状态减弱；至11:27:00后船舶全浮，船舶在自重和浮力的作用下处于中垂状态，测点应力值约为15MPa。

船底应力测试结果

由图2船底应力测试结果可以看出：

1. 在11:26:08以前，船体搁置在上加速向水域移动，在重力的作用下自由变形，测点处以拉伸应力为主，应力的大小随气囊滚过该测点的位置有规律绕一水平轴变化，船底支撑气囊数目未变，气囊尚未入水：在船舶下水时间11:26:08-11:26:33，部分气囊滚入水中，船底支撑气囊数量随船体的下滑而减少，105#肋位的船底应力由拉伸应力转变为压缩应力并呈现出有规律地增大，到11:26:33时仅有少数气囊支撑，此时应力达到最大值约为400MPa；在下水时间11:26:35左右，测点处附近的压应力在较短的时间内转变为拉伸应力，表明测点处已没有气囊支撑，105#肋位横截面已移出船台，船体仅受自身重量，浮力及首部少数气囊支撑而平衡；在下水时间为11:26：35-11:27:00阶段，起初由于船艉入水后浮力较为集中，船体梁在艉部集中的浮力、自重及艏部气囊反力的作用下保持平衡，测点处拉伸应力较大约为250MPa，随后，大约在下水时刻为11:26:35时，船体起浮，船底艉部集中的浮力逐渐沿船长方向分散，测点处拉伸应力也减少；在11:27:00后船舶完全入水，船体处于自由中垂状态；船底总纵弯曲应力约为100MPa。

2. 从船底测点处应力变化可知，其最大值已超过许用应力，必须采取加强措施，或对下水方案进行进一步改进。

纵向倾角测试

为了进一步研究船舶在下水过程中纵向角度变化，以判断船舶是否发生艉落倾斜，采用倾角仪对纵向角度进行测量，倾角仪安装在第三货舱约80#肋位内底板纵中剖面，从图3可以看出，滑行开始阶段，下水船舶纵向角度变化不大，约为0.3°，约为气囊初始高度及船台倾角；当下水时间约为11:26:33时，船舶纵向角度由0.3°突然增加到2.8°；在11:26:47-11:27:00阶段，浮力矩的增加使船舶纵向倾角变回1.2°，随后在11:27:00时刻后，在船长方向上船体自身重量、浮力及波浪等因素的作用下纵摇并自由平衡，纵倾角约为1°。

结论

通过对该船105#肋位上甲板和船底应力的测试分析及下水船舶纵向角度的测量，可以得到如下结论；

1. 该船在下水过程中发生艉落现象，而之前预测的艉下垂现象并不明显；发生艉落时，局部结构可能因船台末端少数气囊的支撑发生了永久性变形；

2. 在船舶气囊下水过程中，船舶结构应力的变化主要取决于船舶下水重量、重心的纵向位置、潮位的高低、船台及气囊下水的工艺等因素。当下水潮位一定时，下水船舶的重心纵向位置靠前，这会造成艉浮时艏部气囊反力值过大，而纵向位置过后又会造成滑行过程中船台末端反力值过大，甚至出现弯折。另一方面，当其他因素一定时，船台的坡度和水下延伸长度也会影响气囊下水过程中船体的应力变化，延长船台在水中的长度，增加艉浮前支撑船体的气囊总数，使船底集中应力分散，有利于改善船体结构性能；至于这些因素的改变对船体结构性能的改善程度有待进一步计算论证。

3. 综上所述，由于气囊的工作高度，使下水潮位相对降低，因此利用气囊下水时，船舶发生艉落现象的几率较大；高吨位船舶下水时，需采取局部结构加强，延伸船台，改变坡度及船台改造半潜等措施予以改善。