基于規(guī)范的滾裝船艏部砰擊受損分析

曾宇東　林浩東

摘 要 滾裝船因航速高、外飄大，艏部砰擊問(wèn)題非常突出。本文以某系列貨物滾裝船艏部砰擊破損的案例為研究對(duì)象，基于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)遵循的IACS規(guī)范，及目前應(yīng)滿足的LR規(guī)范對(duì)波浪砰擊載荷要求的差異進(jìn)行有限元強(qiáng)度分析，得出LR規(guī)范更符合實(shí)際情況。

關(guān)鍵詞 滾裝船 艏部砰擊 規(guī)范校核 有限元分析

中圖分類號(hào)：U661.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1章緒論

1.1 課題的研究背景及意義

滾裝船是指用來(lái)載運(yùn)汽車、托盤貨或集裝箱貨，并以輪式車輛滾上滾下（Roll On- Roll Off）裝卸的專用船舶。近年來(lái)，航運(yùn)市場(chǎng)與新造船市場(chǎng)持續(xù)低迷，但滾裝船由于航速快，裝卸效率高，港口配套要求不高，可以實(shí)現(xiàn)門對(duì)門式服務(wù)，滿足高端客戶的要求，船東收益明顯，是造船市場(chǎng)不多的亮點(diǎn)之一。

我國(guó)經(jīng)濟(jì)近十幾年的高速增長(zhǎng)，也造就了國(guó)內(nèi)滾裝船運(yùn)輸市場(chǎng)蓬勃發(fā)展，尤其是汽車滾裝船運(yùn)輸，表現(xiàn)強(qiáng)勁，隨著舟山江海聯(lián)運(yùn)服務(wù)中心的成立以及“一帶一路”國(guó)際合作高峰論壇的水順利召開，當(dāng)前中國(guó)的發(fā)展需要建設(shè)自己的專業(yè)滾裝船隊(duì)伍，建造出適合我們國(guó)情及航線特點(diǎn)的滾裝船，有利于在國(guó)家戰(zhàn)略上支持一帶一路的發(fā)展，支撐民族工業(yè)的復(fù)興，可以預(yù)計(jì)，未來(lái)幾年將會(huì)迎來(lái)滾裝船建設(shè)的高潮。

滾裝船由于航速高、外飄大，在惡劣海況中航行時(shí)容易發(fā)生砰擊現(xiàn)象。對(duì)于此問(wèn)題，業(yè)界一直在尋求更準(zhǔn)確的砰擊載荷預(yù)報(bào)，并進(jìn)行更可靠的艏部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

本文從某系列滾裝船四艘姊妹船運(yùn)營(yíng)十年左右，艏部均遭波浪砰擊，造成內(nèi)部結(jié)構(gòu)裂紋損傷、塑性變形入手，從規(guī)范差異分析結(jié)構(gòu)損壞的原因，追溯設(shè)計(jì)方案的問(wèn)題。該系列船結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)是引用IACS規(guī)范，因IACS和LR對(duì)艏部砰擊載荷的計(jì)算迥異，所以本文分別對(duì)IACS和LR規(guī)范要求的波浪砰擊載荷進(jìn)行有限元分析，并結(jié)合實(shí)際總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，為我國(guó)將來(lái)滾裝船或類似船舶的艏部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考，具有現(xiàn)實(shí)意義。

1.2 課題的研究現(xiàn)狀

艏部砰擊載荷預(yù)報(bào)是國(guó)際上熱門的且未很好解決的研究課題，砰擊載荷它們輕者將造成船體疲勞或局部變形，重者會(huì)引起結(jié)構(gòu)崩潰而導(dǎo)致災(zāi)難性后果。1994年9月，Estonia號(hào)滾裝渡輪在波羅的海的風(fēng)浪中因罩殼式首門打掉導(dǎo)致艙內(nèi)大量進(jìn)水而沉沒(méi)，九百多名乘客和船員喪生就是一個(gè)經(jīng)典的案例。

民用運(yùn)輸船舶領(lǐng)域，近年來(lái)，隨著高性能船舶（如多體船）的廣泛應(yīng)用，船舶（集裝箱船、LNG船等）大型化的不斷發(fā)展，砰擊問(wèn)題更加突出。合理預(yù)報(bào)船舶的砰擊荷載及其結(jié)構(gòu)動(dòng)響應(yīng)，已成為安全設(shè)計(jì)船舶的重要前提。

為此，各船級(jí)社（Classification Society，簡(jiǎn)稱Class，下同）和國(guó)際船級(jí)社協(xié)會(huì)（International Association of Classification Society，簡(jiǎn)稱IACS，下同）對(duì)于砰擊的機(jī)理、砰擊引起的船體梁瞬態(tài)彈性振動(dòng)（即顫振，Whipping）等進(jìn)行了深入研究，并進(jìn)行實(shí)船跟蹤，然后將復(fù)雜的計(jì)算原理簡(jiǎn)化成方便使用的計(jì)算公式，寫入規(guī)范，供結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、檢驗(yàn)時(shí)采用。

2艏部砰擊受損分析

該系列滾裝船，為中型貨物滾裝船，服務(wù)航速20.5kn，主要載運(yùn)紙制品、拖車、托盤貨及集裝箱等，航行于海況惡劣的波羅的海和北歐海域。

本船具有外飄大、航速高等特點(diǎn)，即使在中等海況下，艏部砰擊依然嚴(yán)重。該系列船在投入運(yùn)營(yíng)十年后，姊妹船艏部外板均出現(xiàn)較嚴(yán)重的塑性變形，內(nèi)部構(gòu)件出現(xiàn)較嚴(yán)重的扭曲變形，甚至裂紋，且損傷部位均位于水線以上主甲板與上甲板之間。本文即是以此系列滾裝船為研究對(duì)象，分析其艏部砰擊受損的原因。該船總長(zhǎng)187.06米，型寬26.5米，型深15.65米，方形系數(shù)0.7。

2.1波浪砰擊載荷計(jì)算

本系列船于1998年開始設(shè)計(jì)建造，當(dāng)時(shí)亦參照URS8首門和內(nèi)門的要求設(shè)計(jì)艏部結(jié)構(gòu)。本文又查閱了當(dāng)時(shí)參照的IACS 1997年版URS8首門和內(nèi)門規(guī)范，最新的2010版URS8首門和內(nèi)門規(guī)范，以及LR最新的2014版船舶入級(jí)規(guī)范第4部分第2章第4節(jié)外板波浪砰擊載荷加強(qiáng)，發(fā)現(xiàn)USR8在波浪砰擊載荷計(jì)算上變化不大，而LR規(guī)范在波浪砰擊載荷計(jì)算上與URS8的截然不同。

2.1.1規(guī)范計(jì)算

IACS的URS8艏門和內(nèi)門規(guī)范，適用于所有從事國(guó)際、國(guó)內(nèi)航行的客滾船和滾裝貨船。其艏部波浪砰擊壓力是按均布?jí)毫紤]，隨計(jì)算點(diǎn)的外飄角、進(jìn)流角變化。

計(jì)算公式為：

Pe=2.75 CH（0.22+0.15tan ） （0.4Vsin +0.6L0.5）2 [KNm2]

LR入級(jí)規(guī)范第4部分第2章第4節(jié)外板波浪砰擊載荷加強(qiáng)，適用于入級(jí)LR的渡輪、滾裝船和客船.其艏部砰擊載荷引入了波浪砰擊極限速度，即壓力峰值的概念。

計(jì)算公式為：

Pbf=0.5（KbfV2bf+KrvHrvV2rv） [KN/m2]

2.1.2 波浪砰擊載荷對(duì)比

根據(jù)該船的參數(shù)及各位置線型，算得艏部外板波浪砰擊壓力見(jiàn)表2.2。

表2.2：艏部波浪砰擊壓力計(jì)算表

由表2.2可知，按照LR規(guī)范算得的波浪砰擊峰值載荷大約是按照IACS規(guī)范算得的波浪砰擊平均載荷的5～7倍。具體哪個(gè)規(guī)范與實(shí)船損傷更接近，需要進(jìn)行有限元分析。

2.2 有限元建模及分析

本文對(duì)艏部主甲板與上甲板之間的結(jié)構(gòu)使用FEMAP&NASTRAN 2012版軟件進(jìn)行了有限元建模，進(jìn)行相應(yīng)約束后，根據(jù)表2的設(shè)計(jì)載荷，施加IACS與LR關(guān)于艏部砰擊的載荷后，采用線彈性分析的方法進(jìn)行。

2.2.1 IACS規(guī)范評(píng)估

在IACS砰擊載荷下分別對(duì)結(jié)構(gòu)的合成應(yīng)力、彎曲應(yīng)力及剪切應(yīng)力進(jìn)行校核，可以發(fā)現(xiàn)有少量的高應(yīng)力峰值出現(xiàn)在邊界約束區(qū)域及熱點(diǎn)區(qū)域，但因?yàn)檫@些區(qū)域因計(jì)算失真或應(yīng)力集中超出衡準(zhǔn)值，是可以接受的。所以使用IACS計(jì)算的波浪砰擊載荷進(jìn)行考察，艏部結(jié)構(gòu)具有足夠的強(qiáng)度抵抗砰擊損壞。endprint

2.2.2 LR規(guī)范評(píng)估

為便于和IACS的結(jié)果比較，依然采用線性靜力分析的方法，將LR規(guī)范計(jì)算的砰擊載荷施加到有限元模型中，計(jì)算過(guò)程省略，結(jié)果顯示與實(shí)船結(jié)構(gòu)損壞情況相符。

圖1：LR砰擊載荷下FR243肋位合成應(yīng)力云圖

圖2：實(shí)船F(xiàn)R243橫梁塑性變形示意圖

圖1顯示了LR砰擊載荷在FR243肋位處，四甲板橫梁和外板肋骨間連接肘板的兩趾端處引起592MPa的合成應(yīng)力，已超出此處材料的屈服應(yīng)力極限。這與圖2顯示的實(shí)船F(xiàn)R243外板肋骨裂紋損傷、甲板橫梁塑性變形情況吻合。

2.2.3 規(guī)范適用性分析

通過(guò)分別施加IACS和LR波浪砰擊載荷，進(jìn)行有限元分析，并與實(shí)船損傷結(jié)果對(duì)比可見(jiàn)，LR規(guī)范給定的波浪砰擊載荷更符合實(shí)際。

3結(jié)論

本文選取了某系列貨物滾裝船艏部砰擊破損的經(jīng)典案例進(jìn)行分析。首先分別對(duì)IACS和LR規(guī)范要求的波浪砰擊載荷進(jìn)行有限元分析，確認(rèn)LR規(guī)范適用于本案例分析；然后根據(jù)LR規(guī)范對(duì)原有結(jié)構(gòu)的內(nèi)部構(gòu)件和外板尺寸進(jìn)行了規(guī)范校核，結(jié)合實(shí)船損傷情況判斷，該系列船艏部結(jié)構(gòu)損傷系內(nèi)部支撐構(gòu)件強(qiáng)度不足所致； 各船級(jí)社之間關(guān)于波浪砰擊載荷的計(jì)算不盡相同，盡管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)只需滿足相應(yīng)船級(jí)社的要求，但建議多參考幾個(gè)船級(jí)社的要求，并選取相對(duì)保守的載荷進(jìn)行設(shè)計(jì)，因?yàn)榕c營(yíng)運(yùn)后的修復(fù)成本相比，新造船階段增加成本微乎其微。

參考文獻(xiàn)

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