江海直達(dá)散貨船波浪載荷直接計(jì)算

王　偉， 張吉萍， 李國(guó)強(qiáng)

(浙江海洋學(xué)院 船舶與海洋工程學(xué)院， 浙江 舟山 316000)

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江海直達(dá)散貨船波浪載荷直接計(jì)算

王偉， 張吉萍， 李國(guó)強(qiáng)

(浙江海洋學(xué)院 船舶與海洋工程學(xué)院， 浙江 舟山 316000)

摘要采用SESAM軟件系統(tǒng)，根據(jù)中國(guó)沿海波浪散布圖，對(duì)江海直達(dá)散貨船的波浪載荷進(jìn)行短期預(yù)報(bào)和長(zhǎng)期預(yù)報(bào)，對(duì)波浪誘導(dǎo)載荷響應(yīng)及主要載荷參數(shù)的長(zhǎng)期預(yù)報(bào)值進(jìn)行分析，波浪載荷長(zhǎng)期預(yù)報(bào)極值與海船規(guī)范計(jì)算值比較表明，規(guī)范計(jì)算公式無(wú)法對(duì)其波浪載荷作出合理評(píng)估，對(duì)于此類船型的波浪載荷應(yīng)用直接計(jì)算法計(jì)算。

關(guān)鍵詞江海直達(dá)船波浪載荷SESAM軟件短期預(yù)報(bào)長(zhǎng)期預(yù)報(bào)

Short-term predictionLong-term prediction

0引言

江海直達(dá)是指用同一條船經(jīng)過(guò)江河和海洋水域?qū)⒇浳飶钠鹗几壑苯舆\(yùn)抵目的港而不需使用中轉(zhuǎn)船的一種運(yùn)輸方式。江海直達(dá)船能夠直接由江入海或由海入江，減少了貨物運(yùn)輸?shù)闹修D(zhuǎn)環(huán)節(jié)，具有效率高、周期短、貨損少等優(yōu)點(diǎn)，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益，是進(jìn)行江、海聯(lián)運(yùn)的一種理想的水上運(yùn)輸工具[1]。近年來(lái)，隨著造船業(yè)與航運(yùn)業(yè)的迅速發(fā)展，長(zhǎng)江航道條件的不斷改善，改革開放的不斷深入，長(zhǎng)江流域及西部經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，國(guó)際貿(mào)易和運(yùn)輸業(yè)的迅速發(fā)展，我國(guó)江海直達(dá)船舶得到了快速發(fā)展。

江海直達(dá)船由于受到航道和港口泊位吃水的限制，它只能是一種不同于傳統(tǒng)江船和海船的淺吃水肥大型船[2，3]。只有這種船型才能解決長(zhǎng)江航道水深限制和船舶載貨量盡可能大的矛盾。然而淺吃水、大型寬的特點(diǎn)對(duì)船舶在海上的適航性相當(dāng)不利，同時(shí)寬而扁的船體對(duì)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度都有很大影響[4]。

江海直達(dá)船作為一種特殊船型，不同于常規(guī)的江船和海船，其航行過(guò)程要跨越江、海兩級(jí)航區(qū)，必須能經(jīng)受江、海兩個(gè)不同氣象水文條件對(duì)船舶結(jié)構(gòu)安全性的考驗(yàn)。江海直達(dá)船在江河和海上航行時(shí)，遭受不同的波浪載荷，波浪周期和波高明顯不同，其規(guī)律也不一樣。在計(jì)算其設(shè)計(jì)載荷時(shí)，直接采用現(xiàn)有的內(nèi)河船規(guī)范或海船規(guī)范中的經(jīng)驗(yàn)公式是不合適的[5]。雖然，2008年CCS頒布了《特定航線江海通航船舶檢驗(yàn)指南》[6](以下簡(jiǎn)稱《指南》)(2008)，為江海直達(dá)船舶的設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。但《指南》對(duì)江海直達(dá)船舶的航線有特定限制，對(duì)船舶尺度參數(shù)也有限定，且結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算部分基本上都是參照《海規(guī)》進(jìn)行計(jì)算的，其合理性還有待進(jìn)一步研究。

波浪載荷是評(píng)估船舶結(jié)構(gòu)安全性的關(guān)鍵載荷。本文采用大型水動(dòng)力計(jì)算軟件SESAM對(duì)一艘典型的江海直達(dá)散貨船進(jìn)行波浪載荷直接計(jì)算分析，為江海直達(dá)船的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核提供載荷參考。

1計(jì)算模型

1.1三維水動(dòng)力計(jì)算模型

采用SESAM軟件系統(tǒng)中的Patran pre模塊將江海直達(dá)散貨船的船殼外表面定義為濕表面，然后將其導(dǎo)入到HydroD模塊中，波浪分析子模塊Wadam會(huì)自動(dòng)確認(rèn)為面元模型(panel model)，將靜水壓力和波浪動(dòng)壓力映射到模型單元上。

進(jìn)行波浪載荷的預(yù)報(bào)，不僅需要船體的外部幾何形狀特征，還需要船體的質(zhì)量及其分布信息，只有建立了全船的質(zhì)量模型，才能夠計(jì)算船體的重力載荷和重力產(chǎn)生的力矩。沿船長(zhǎng)將模型劃分為若干段，根據(jù)實(shí)際船舶的重量分布資料，分別對(duì)各個(gè)分段定義不同的材料密度，保證質(zhì)量模型的質(zhì)量分布、質(zhì)量總值、重心位置與實(shí)船相一致。貨物、壓載水等裝載質(zhì)量采用質(zhì)量點(diǎn)單元模擬，根據(jù)其在船體中的位置施加在相關(guān)的節(jié)點(diǎn)上。整船模型質(zhì)量與船舶靜水浮態(tài)相匹配。

濕表面模型和質(zhì)量模型構(gòu)成了HydroD中的水動(dòng)力計(jì)算模型，通過(guò)調(diào)整浮態(tài)使水動(dòng)力計(jì)算模型的排水量和艏艉吃水與實(shí)船裝載狀態(tài)一致。水動(dòng)力模型如圖1所示。

圖1　HydroD中水動(dòng)力計(jì)算模型

1.2計(jì)算條件和參數(shù)選擇

沿船長(zhǎng)方向從艉垂線到艏垂線每間隔8 m取一個(gè)計(jì)算截面，共25個(gè)計(jì)算截面。

為了研究船體在不同浪向角波浪作用下的波浪誘導(dǎo)載荷規(guī)律，選取了0°～180°，間隔為15°，共13個(gè)浪向角。浪向角的方向定義為：沿船長(zhǎng)方向從船艉指向船艏為0°，從船艏指向船艉為180°，從右舷指向左舷為90°。認(rèn)為這13個(gè)浪向等概率作用在船體上。

參考規(guī)范要求，為了研究各種有意義的波長(zhǎng)(頻率)對(duì)船體的作用，波浪的頻率范圍按波長(zhǎng)與船長(zhǎng)比范圍的0.2～3選取，步長(zhǎng)取0.1，共29個(gè)。

該江海直達(dá)散貨船航線海段處于近海海域, 波浪未充分發(fā)展，所以波浪譜取為JONSWAP譜。

2波浪載荷短期預(yù)報(bào)

參考ABS的DLA以及DNV的CSA-2要求，選取L/4剖面(SEC107)和3L/4剖面(SEC119)處的扭矩、L/2舯剖面(SEC113)處的垂向彎矩作為參考響應(yīng)變量[7～9]。圖2～圖7分別給出了這三個(gè)剖面上在壓載狀態(tài)和均質(zhì)滿載狀態(tài)下的傳遞函數(shù)。

根據(jù)求出的傳遞函數(shù)，可以得到，在壓載狀態(tài)和滿載狀態(tài)下，與主要載荷響應(yīng)相對(duì)應(yīng)的對(duì)船體最不利的波浪和傳遞函數(shù)峰值如表1和表2所示。根據(jù)它們可以用來(lái)確定結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算用的設(shè)計(jì)波參數(shù)。

從表1和表2可以發(fā)現(xiàn)：對(duì)船體最不利的浪向?yàn)?5°、90°、180°，最不利的波浪的波長(zhǎng)與船長(zhǎng)相近。滿載狀態(tài)下最不利波浪的頻率小于壓載狀態(tài)下最不利波浪的頻率。

圖2　L/4截面扭矩(壓載)　　　　　　　　　　　　　　　　　　　圖3　L/2截面垂向彎矩(壓載)

圖4　3L/4截面扭矩(壓載)　　　　　　　　　　　　　　　　　　　圖5　L/4截面扭矩(滿載)

圖6　L/2截面垂向彎矩(滿載)　　　　　　　　　　　　　　　　　　　圖7　3L/4截面扭矩(滿載)

表1　壓載狀態(tài)下對(duì)船體最不利的波浪及傳遞函數(shù)最大幅值

表2　均質(zhì)滿載狀態(tài)下對(duì)船體最不利的波浪及傳遞函數(shù)最大幅值

3波浪載荷長(zhǎng)期預(yù)報(bào)

在波浪誘導(dǎo)載荷長(zhǎng)期預(yù)報(bào)中，需要根據(jù)船舶的實(shí)際航區(qū)選擇合適的波浪統(tǒng)計(jì)資料作為計(jì)算的參考海況，每個(gè)海況用跨零周期Tz和有義波高Hs表示。江海直達(dá)散貨船的航行區(qū)域?yàn)榻＜伴L(zhǎng)江內(nèi)河航道，海上的海況較內(nèi)河要惡劣得多，因此長(zhǎng)期預(yù)報(bào)的計(jì)算海況采用中國(guó)沿海海浪長(zhǎng)期統(tǒng)計(jì)分布資料[10]，以得到相對(duì)安全的計(jì)算結(jié)果。

表3為中國(guó)沿海海域波浪散布圖，表中的每個(gè)數(shù)值代表了在997次統(tǒng)計(jì)中某個(gè)海況出現(xiàn)的次數(shù)。

表4和表5分別給出了壓載狀態(tài)和均質(zhì)滿載狀態(tài)下L/4、L/2和3L/4這三個(gè)重要截面上主要載荷控制參數(shù)的重現(xiàn)期為10年、20年、25年、50年、100年的預(yù)報(bào)極值和超越概率水平10-8下的預(yù)報(bào)極值。

對(duì)表4和表5進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn)：

表3　中國(guó)沿海海浪長(zhǎng)期分布資料

表4　壓載狀態(tài)下主要載荷參數(shù)長(zhǎng)期預(yù)報(bào)值

表5　滿載狀態(tài)下主要載荷參數(shù)長(zhǎng)期預(yù)報(bào)值

計(jì)算得到的超越概率10-8下的主要載荷控制參數(shù)的預(yù)報(bào)極值大于重現(xiàn)期20年的預(yù)報(bào)極值，甚至大于重現(xiàn)期25年的預(yù)報(bào)極值；對(duì)于在同一重現(xiàn)期和超越概率下載荷參數(shù)的預(yù)報(bào)極值，滿載狀態(tài)都大于壓載狀態(tài)；在所有載荷控制參數(shù)預(yù)報(bào)極值中船舯剖面處的垂向波浪彎矩預(yù)報(bào)極值是最大的；距船艉1/4截面處扭矩預(yù)報(bào)極值大于距船艏1/4截面處扭矩預(yù)報(bào)極值，兩者的比值約為1.6。

圖8～圖11分別給出了在壓載狀態(tài)下和滿載狀態(tài)下的各主要載荷控制參數(shù)在超越概率10-8下的長(zhǎng)期預(yù)報(bào)極值在不同浪向角上的分布。

圖8　截面L/2垂向彎矩長(zhǎng)期預(yù)報(bào)值　　在不同浪向的分布(壓載)　　　　　　　　　　　圖9　截面L/4和3L/4扭矩長(zhǎng)期預(yù)報(bào)值　　在不同浪向的分布(壓載)

圖10　截面L/2垂向彎矩長(zhǎng)期預(yù)報(bào)值　　在不同浪向的分布(滿載)　　　　　　　　　圖11　截面L/4和3L/4扭矩長(zhǎng)期預(yù)報(bào)值　　在不同浪向的分布(滿載)

從圖中可以得到：船舯剖面垂向波浪彎矩預(yù)報(bào)極值出現(xiàn)在浪向角為0°和180°時(shí)，即船舶在迎浪和順浪航行時(shí)，并隨浪向趨近橫浪時(shí)逐漸減小；壓載狀態(tài)下距船艉1/4截面和距船艏1/4截面處扭矩的長(zhǎng)期預(yù)報(bào)值在不同浪向上的分布呈現(xiàn)單峰形式，在浪向角為90°附近出現(xiàn)極大值，說(shuō)明本船在壓載狀態(tài)下橫浪航行時(shí)扭轉(zhuǎn)問(wèn)題最嚴(yán)重；滿載狀態(tài)下距船艉1/4截面和距船艏1/4截面處扭矩的長(zhǎng)期預(yù)報(bào)值在不同浪向上的分布呈現(xiàn)雙峰形式，在浪向角為60°和130°附近出現(xiàn)極大值，說(shuō)明本船在滿載狀態(tài)下斜浪航行時(shí)，扭轉(zhuǎn)問(wèn)題最為嚴(yán)重。

4波浪載荷直接計(jì)算與規(guī)范計(jì)算的比較

直接計(jì)算的波浪彎矩和剪力的分布如圖12和圖13所示。船體垂向波浪彎矩值在船舯剖面SEC113最大，剪力最大值出現(xiàn)在剖面SEC105和剖面SEC119，這與規(guī)范計(jì)算的波浪載荷最大值所在的剖面位置基本一致。

圖12　船體剖面垂向波浪彎矩分布　　　　　　　　　　　　　　　圖13　船體剖面剪力分布

對(duì)于船體剖面垂向波浪彎矩，CCS《鋼質(zhì)海船入級(jí)規(guī)范》[11](2012)給出了計(jì)算公式。

中拱波浪彎矩：

Mw(+)=+190MCL2BCb×10-3

中垂波浪彎矩：

(1)

式中：M為彎矩分布系數(shù)，船舯M=1；L為船長(zhǎng)，m；B為船寬，m；Cb為方形系數(shù)；系數(shù)C為9.6276。波浪彎矩的計(jì)算還需考慮航區(qū)系數(shù)fr，取frMw。

對(duì)于船體剖面剪力，CCS《鋼質(zhì)海船入級(jí)規(guī)范》(2012)給出計(jì)算公式。

中拱波浪切力：

Fw(+)=+30F1CLB(Cb+0.7)×10-2

中垂波浪切力：

(2)

式中：F1、F2為切力分布系數(shù)。剖面SEC105切力分布系數(shù)F2為0.92，系數(shù)C為9.6276；剖面SEC119切力分布系數(shù)F2為0.9483，系數(shù)C為9.6276。

由于在同一重現(xiàn)期和同一超越概率下的載荷參數(shù)預(yù)報(bào)極值，滿載狀態(tài)都大于壓載狀態(tài)，因此只比較滿載狀態(tài)下的直接計(jì)算值。目標(biāo)船型尺度比在海船規(guī)范要求范圍內(nèi)，將按規(guī)范公式計(jì)算的波浪彎矩和剪力值與直接計(jì)算值進(jìn)行比較，見表6、表7。

表6　直接計(jì)算彎矩值與規(guī)范計(jì)算值的比較

[下轉(zhuǎn)第42頁(yè)]

Direct Calculation of Wave Loads for River-to-sea Bulk Carriers

WANG Wei, ZHANG Ji-ping, LI Guo-qiang

(Zhejiang Ocean University, Naval Architecture and Ocean Engineering,

Zhoushan Zhejiang 316000, China)

AbstractAccording to wave scatter diagram of chinese coastal area, short-term prediction and long-term prediction of wave loads for a river-to-sea bulk carrier are performed by SESAM software. Wave-induced loads response and long-term prediction values of main loads parameters are analysed, which are compared with the calculated values of rules. The comparation shows that the simplified formula of rules can not assess reasonably their wave loads and the direct calculation method has to be adopted to predict detailed wave loadings and distributions for this type of ships.

KeywordsRiver-to-sea bulk carriersWave loadsSESAM software

中圖分類號(hào)U661

文獻(xiàn)標(biāo)志碼A

作者簡(jiǎn)介：王偉(1981-)，男，副教授。

基金項(xiàng)目：國(guó)家國(guó)際科技合作專項(xiàng)項(xiàng)目(編號(hào)：2012DFR80170)；浙江省自然科學(xué)基金(LQ13E090002)資助。