摘要: 本文结合NAPA软件，在特定的平台重量、重心及底部支承方式的基础上，对自升式平台通过半潜驳下潜的方式下水时各个阶段的浮态变化及受力特点进行了分析。结果表明，虽然下水过程中驳船对平台总的支持力逐步减小，但可能由于平台产生倾斜导致与驳船局部接触而产生较大的局部应力。指出了通过该种方式下水时应注意的几点问题，可用于下水方式的评价、选择及实际下水计算、实船下水操作中的参考。

关键词：自升式平台；半潜驳船；下水；NAPA；浮态

1 引  言

下水是自升式平台设计、建造过程中的重大工程节点之一。为了船舶下水，船厂根据自身的条件和生产要求，可选择各种不同的下水方式和下水设施。下水方式按下水原理可分为：重力式下水、漂浮式下水、机械化下水和气囊式下水四大类[1]。

本文结合NAPA软件，分析了平台通过半潜驳船下水过程中的浮态变化及受力特点。该下水方法首先需要将平台通过滑道拖拉等方式装运到半潜驳船上，然后驳船在码头或适当水深的海域下潜，待驳船下潜到一定水深时，平台可借助自身浮力浮起而脱离驳船，完成下水。该下水方法属于漂浮式下水，具有同造船坞下水或浮船坞下水相似的平稳、安全的特点。但下水过程中可能会由于平台的浮态变化，导致与支撑结构局部接触产生过大的局部应力威胁结构安全[2], [3]，从而需要研究下水过程中平台的浮态变化及受力特点，以便采取预防、应对措施以确保下水安全。

2 NAPA简介

NAPA软件是芬兰napa公司开发的一款船舶总体设计软件，目前广浮应用于船舶及海洋浮式结构物的设计中。该软件具有强大而灵活的几何处理功能，包括线型生成及三维建模，并具有完备的计算功能模块，可以快速准确地完成各种性能计算；其开放的操作环境更有助于设计师们通过编程实现自己特定的意图[4]。

下水过程中，准确快速地计算平台水下体积、浮心坐标等静水力参数对于分析平台浮态变化及受力特点是一项主要的工作，这些计算通过NAPA软件均能方便地实现。NAPA特殊的“搁浅”定义、分析功能，也极大地方便了平台下水过程中“搁浅”状态下支反力的求解。

3 下水实例分析

某自升式钻井平台为三角形船体，型长57.205m，型宽53.34m，型深7.62m，设计吃水4.45m，船艏舭部为半径为1.372m的圆弧过渡。平台带有三个桁架式桩腿，桩腿底部带直径为15.24m的桩靴，平台升起状态下的主视图如图1所示。

3.1 平台的重量、重心及静水力模型

平台下水过程中的浮态变化取决于平台的船型、下水时的重量、重心及底部支撑方式。平台下水时的重量、重心通常以下水前的最新版重量控制报告或同系列船型先前的倾斜试验资料为依据。本文中计下水时的重量6800t，重心坐标(23.30,0.10,16.50)，坐标系为以中纵剖面内基线同艉封板的交点为坐标原点的右手坐标系，x坐标向船艏为正，y坐标左舷为正。

作者简介：杨辉（1980年-），男，湖北武汉人，硕士，主要从事船舶与海洋工程总体性能方面的设计、研究工作。

联系方式：yanghui@mail.cooec.com.cn。

图1  平台主视图

平台的NAPA静水力模型如图2所示。模型中考虑了主船体、桩靴（图3）及生活楼，扣除了桩腿围阱部分，其直径为15.54m。船体壳板平均板厚为9.5mm。

图2   NAPA静水力模型                           图3  桩靴模型

根据以上NAPA模型，图4给出了排水量、浮心纵坐标及横稳心高随吃水变化的关系曲线。由此可以很方便地得到平台于排水量6800t时的正浮吃水为3.122m，浮心纵坐标为23.094m。则通过比较重心坐标，可初步断定平台下水后将处于一定的艏倾及左横倾的状态，为了解整个下水过程中平台的浮态变化，尚需对平台由随驳船的直立状态到自由漂浮时的倾斜状态的过渡阶段进行详细分析。

图4  静水力曲线

3.2 下水阶段分析

3.2.1 基本假设

为便于分析，结合实际情况对下水过程作如下假定：

1）下水时海况良好，可认为下水在静水中进行；

2）整个下水过程中，半潜驳船通过自身压载调整始终处于正浮状态；

3）驳船下潜缓慢，下水过程中的动态效应可忽略；

4）驳船及平台均为刚体，忽略其弹性变形；

3.2.2 下水阶段的划分

如图5所示，假设平台下水时置于驳船上对称的四条滑道上。在直立状态下，平台浮心及重心分别位于B、G点，滑道与船底舭部交点分别为M、N。

在平台随驳船下水过程中，平台所受浮力B随吃水增加而不断增加，浮力增大到一定程度时，平台可能发生绕滑轨SKID1、MN及NN’轴的转动，从而局部抬起离开驳船。平台究竟以何种方式过渡到倾斜状态，取决于哪种与重力G对相应轴的力矩相平衡的浮力首先出现，因而需要比较假想的这三种平衡状态下浮力的大小。

图5  过渡状态力的平衡

由力矩平衡可知，三种平衡状态下，有：

由图5描述的几何关系及重心坐标可以求得：

    则有： 

B2与及B3与在静水力模型中存在内在确定的对应关系。由静水力数据可知，在吃水3-3.15m范围内，浮心纵坐标LCB在23.09m左右，通过修正吃水、迭代偿试的方法得到：

比较B1、B2和B3可知B2最小，则浮力达B2并进一步增加时，平台将局部抬起，出现绕MN轴的转动，此时可认为平台在M、N两点处“搁浅”。

同样地，平台在绕MN轴转动的后续阶段可能会出现绕其中一点的转动从而最终全部脱离驳船，过渡到自由漂浮状态。至此，可将平台的下水过程分为如下几个阶段进行分析。

3.3 不同阶段下的平台浮态

3.3.1 下水第一阶段（直立）

此阶段平台平均吃水范围为0~3.093 m，平台所受浮力小于自身重力，平台底部贴于滑道，与驳船一起保持直立状态。

此阶段中，随着吃水的增加，排水量逐步增加，浮心也逐步前移。平均吃水T=3.093m为临界状态，此时排水量为6737.313t，浮心距船艉23.093m。浮力与重力对舭部MN轴之矩相等，平台在重力G、浮力B及M、N两点处的支反力作用下处于平衡状态。此时，可在NAPA的LD模块下定义此二点的搁浅状态并求解支反力，得到M、N两点处的支反力分别为：

超过此吃水后，由于浮力的继续增加，平台右艉部将抬起离开驳船，进入下水第二阶段。

3.3.2 下水第二阶段（双点“搁浅”）

此阶段平台平均吃水范围为3.093~3.126 m，平台所受浮力小于自身重力，平台仍需要驳船提供一定的支持力。但由于吃水逐步增加，浮力对舭部MN轴线之矩也不断增加，这就迫使平台右艉部抬起，浮心向左前方向移动，确保重力、浮力对舭部轴线之矩相等。整个过程中，平台在重力、浮力及M、N两点的支反力作用下处于一定倾斜下的平衡状态。

M、N两点处的支反力之和F为重力与浮力之差。此阶段中由于浮力随吃水的增加而不断增加，F将逐步减小，但经分析可知其中N点的支反力逐步增大；到平均吃水T=3.195m时，平台达表3.1所示的另一临界状态。

表1  临界状态下的浮态

此时，平台浮力对N点之矩与重力对此点之矩相平衡，平台受重力、浮力和N点的集中支反力FN作用，且FN=19.355t，M点处的支反力为零。若吃水继续增加，平台将要产生绕N点的倾斜而进入下水第三阶段。

3.3.3 下水第三阶段（单点“搁浅”）

此阶段的平台平均吃水范围为3.126~3.144m。整个过程中，平台仅有N点落在驳船上，平台在重力、浮力及N点处的集中支反力FN作用下处于平衡状态。随着吃水的增加，平台绕该端点倾斜且FN逐步减小；当T=3.144m时，浮力与重力位于同一铅垂线上且大小相等，此后平台将不再需要驳船提供支持力而进入表2描述的自由漂浮状态，从而完成下水。

表2  自由漂浮时的浮态

4 结  语

本文在特定的平台重量、重心及底部支承方式的基础上，分析了平台在通过驳船下水过程中各阶段的浮态变化及受力特点。显然通过压载调整平台下水时的重量、重心，或改变平台下水时底部的支承方式，均会对平台下水过程中的浮态变化产生影响。针对平台下水时的实际状态可结合本文提供的方法具体分析。

不失一般性，自升式平台在通过驳船下潜的方式下水时应注意以下几点：

1）平台下水时宜在海况良好时进行，下水海域的水深应满足平台下水要求。最低水深要求由以下几项构成：即平台自由漂浮时最低点的吃水，驳船型深及平台底板距驳船甲板的间距，并应使驳船龙骨与海底之间保留适当间隙；

2）半潜驳船至少应具备载运平台的能力，且具备下潜到足以使平台能够自由漂浮的深度，驳船强度及稳性满足下水各阶段的要求；

3）平台在下水过程中，虽然驳船对其总的支持力逐步减小，但可能由于平台产生倾斜导致与驳船局部接触而产生较大的局部应力，从而需要对接触区域的平台及支承结构进行强度校核，进而考虑是否需要采取相应的保护措施或改进下水方式；

4）下水时应充分利用驳船的甲板尺寸，尽可能地对平台底部的边界区域给予支撑，这样可有效延缓平台进入下水第二、第三阶段的“搁浅”状态，并分散平台“搁浅”状态下的重量，从而减小局部接触应力；通过计算，事先对平台压载使其自由漂浮时接近正浮状态也是有效避免或减小局部接触应力的方法。

参考文献：

[1] 盛振邦, 刘应中. 船舶原理. 上海交通大学出版社, 2004.

[2] 王媛媛, 程远胜, 曾广武. 船舶纵向下水船底结构局部加强研究, 船舶工程, 2004, 29(4): 57-60.

[3] 周执平, 黄玉英. 1718TEU集装箱船纵向下水及其前支点位置的确立.船舶.2000, 2(1): 54-61.

[4] 王彩莲. 浅谈船舶应用软件NAPA.船舶, 2004, 6 (3): 58-60.

[5] 刘  峰, 王自力, 崔维成. 船舶结构的搁浅数值仿真研究.船舶.2006, 6(3): 24-27.