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        單艙大開(kāi)口重吊船破艙穩(wěn)性研究

        2010-01-28 02:36:08,
        船海工程 2010年4期
        關(guān)鍵詞:干舷穩(wěn)性貨艙

        ,

        (上海交通大學(xué) 船舶海洋與建筑工程學(xué)院,上海 200240)

        國(guó)際經(jīng)濟(jì)貿(mào)易中貨物的種類(lèi)和形式趨于多樣化,在常規(guī)貨物種類(lèi)例如雜貨、散貨、集裝箱,滾裝貨之外,大件貨物運(yùn)輸越來(lái)越多,尤其是海洋工程裝備的發(fā)展,使得大量的海洋工程結(jié)構(gòu)物需要運(yùn)輸和吊裝,亟待設(shè)計(jì)建造可以用于運(yùn)送大件貨物的船舶。目前,大部分此類(lèi)船舶的設(shè)計(jì)由國(guó)外設(shè)計(jì)公司完成,國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)部門(mén)鮮有涉足。2009年1月1日,《SOLAS 2009》強(qiáng)制實(shí)施[1],新規(guī)則對(duì)破艙穩(wěn)性要求提高。以一艘單艙大開(kāi)口的重吊船為算例,探討單艙大開(kāi)口船舶滿(mǎn)足破艙穩(wěn)性的設(shè)計(jì)方案。

        1 算例船概況

        該船主尺度見(jiàn)表1。

        表1 算例船船型要素表

        該船突破以往重吊船設(shè)計(jì)單艙最大艙容的限制,達(dá)到單一貨艙載重量10 000 t,貨艙開(kāi)口尺度為94.25 m×16.2 m,不但能運(yùn)送海洋工程中的大件貨物,又可以兼作集裝箱船使用,能夠適應(yīng)不斷變化的海運(yùn)市場(chǎng)需求。

        2 分艙指數(shù)計(jì)算規(guī)則

        國(guó)際海上人命安全公約規(guī)定,當(dāng)達(dá)到的分艙指數(shù)A大于等于要求的分艙指數(shù)R時(shí),貨船滿(mǎn)足破艙穩(wěn)性的要求。

        2.1 要求的分艙指數(shù)R

        貨船要求的分艙指數(shù):

        式中:Ls——分艙長(zhǎng)度。

        Ls越長(zhǎng),對(duì)貨船破艙穩(wěn)性的要求就越高。

        2.2 達(dá)到的分艙指數(shù)A

        新規(guī)范要求貨船所能達(dá)到的分艙指數(shù)由三種水線(xiàn)下計(jì)算得到的分艙指數(shù)加權(quán)得到,即輕載營(yíng)運(yùn)吃水dl、部分分艙吃水dp和最深分艙吃水ds,分別對(duì)應(yīng)分艙指數(shù)As、Ap、Al。

        A=0.4As+0.4Ap+0.2Al

        每一水線(xiàn)下的分艙指數(shù)生存概率是不為0的、對(duì)分艙指數(shù)有貢獻(xiàn)的破損工況的和:

        A=∑pisi

        式中:i——破損艙組編號(hào);

        pi——艙組破損浸水概率;

        si——艙組破損浸水后的生存概率。

        3 破艙穩(wěn)性影響因素分析

        3.1 概率破艙初穩(wěn)性高的選取

        圖1 初穩(wěn)性高隨吃水變化圖

        3.2 設(shè)置頂邊艙

        除運(yùn)輸大件貨物外,該船還作為常規(guī)集裝箱船使用,其設(shè)計(jì)汲取了優(yōu)秀的集裝箱船設(shè)計(jì)理念。對(duì)于少貨艙集裝箱船,破艙穩(wěn)性同樣是設(shè)計(jì)的限制因素。目前,集裝箱船設(shè)計(jì)中比較流行的一種布置是:將二層甲板作為干舷甲板,主甲板和二甲板之間的封閉邊殼作為通道[2],通道內(nèi)合理布置水密門(mén)作為縱向分割。圖2為設(shè)置頂邊艙前后的概率破艙穩(wěn)性計(jì)算模型效果圖。

        圖2 概率破艙穩(wěn)性計(jì)算模型圖

        這種設(shè)計(jì)對(duì)船舶破艙穩(wěn)性和經(jīng)濟(jì)性有著積極的影響。

        1) 將二層甲板作為干舷甲板之后,有水密關(guān)閉裝置的頂邊艙就變成了有效上層建筑。在干舷計(jì)算中,有效上層建筑對(duì)夏季最小干舷的有利修正最為明顯。本船夏季最小干舷值的最終設(shè)計(jì)方案為Fmin=2 509.2 mm。其中,有效上層建筑對(duì)基本干舷的修正為-466.7 mm,修正前后,最小干舷值減小了將近20%,為貨物裝載和最深分艙載重線(xiàn)的劃定提供了更大的活性空間。

        2) 具備水密關(guān)閉裝置的邊艙為船舶破損后提供了可觀(guān)的儲(chǔ)備浮力,這種改變的作用甚至是決定性的。用Napa軟件建模計(jì)算,在其他艙室相同布置的情況下,頂邊艙設(shè)置前后,達(dá)到的分艙指數(shù)A從0.511 94上升到了0.557 87,而本船要求的分艙指數(shù)R=0.547 65??梢?jiàn),設(shè)置頂邊艙,很大程度地提高了分艙指數(shù)A值,使得該船滿(mǎn)足了SOLAS公約關(guān)于概率破艙穩(wěn)性的要求。

        3) 由于主貨艙的艙口蓋架放在頂邊艙頂端內(nèi)側(cè),頂邊艙的高度很大程度影響了主貨艙的容積,特別是對(duì)于裝載集裝箱的工況,還需要考慮與集裝箱高度的配合。肋位處集裝箱布置見(jiàn)圖3,如果不設(shè)置頂邊艙,增加型深后也只能布置4層標(biāo)準(zhǔn)箱,而設(shè)置頂邊艙之后,配合合理的雙層底高度,艙內(nèi)可以布置5層集裝箱。可獲得可觀(guān)的經(jīng)濟(jì)利益。

        圖3 集裝箱布置

        除對(duì)船舶穩(wěn)性和貨物布置起到積極影響外,在結(jié)構(gòu)上,頂邊艙還提高了大開(kāi)口船舶的抗扭能力,該船設(shè)置高度為3.875 m的頂邊艙,并在頂邊艙內(nèi)距尾垂線(xiàn)31.85~80.60 m的位置設(shè)水密分割。

        3.3 邊艙寬度的選取

        假設(shè)該船不設(shè)邊艙,所能達(dá)到的分艙指數(shù)A=0.238 74,遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足要求。整個(gè)貨艙長(zhǎng)度部分缺少邊艙的保護(hù),一旦破損,整個(gè)貨艙浸水,生存概率很低。設(shè)立邊艙之后,減小了主貨艙破損的概率,提高了主貨艙區(qū)域的破損生存概率。

        隨著邊艙寬度的增加,邊艙破損浸水后的傾斜越大,沉船的危險(xiǎn)性也會(huì)增加,邊艙浸水后的傾斜又成為主要的安全隱患,所以,分艙指數(shù)A的提高受到限制。

        保持其余艙室不變,僅改變貨艙兩側(cè)邊艙寬度,單變量地研究邊艙寬度對(duì)于該船破艙穩(wěn)性的影響。圖4為不同邊艙寬度所達(dá)到的分艙指數(shù)A。

        圖4 分艙指數(shù)A隨邊艙寬度變化圖

        可以看到,設(shè)立邊艙后,分艙指數(shù)A得到很大提升,邊艙半寬比在0.05~0.15之間,對(duì)分艙指數(shù)A的影響效果明顯,進(jìn)一步增加邊艙寬度比至0.35,對(duì)分艙指數(shù)A的影響變得平緩,邊艙寬度繼續(xù)增大,分艙指數(shù)A會(huì)有進(jìn)一步的提高,然而,過(guò)大的邊艙會(huì)影響主貨艙的容積。

        3.4 邊艙縱向分割影響分析

        從理論上分析,如果將原艙長(zhǎng)為l0的邊艙縱向分割成長(zhǎng)度分別為l1和l2的兩個(gè)艙,如圖5,則有:

        l0=l1+l2

        圖5 邊艙縱向分割示意圖

        分艙之前的分艙指數(shù)為

        A0=p0·s0

        分艙之后的分艙指數(shù)為

        A=(p0-p1-p2)·s0+p1·s1+p2·s2

        通常情況下,s1≥s0,s2≥s0,p1>0,p2>0。分艙前后,分艙指數(shù)A的變化為

        δA=A-A0=(p0-p1-p2)·s0+p1·s1+p2·s2-p0·s0=p1×(s1-s0)+p2(s2-s0)≥0

        可見(jiàn)δA是單調(diào)增函數(shù),然而當(dāng)縱向分割增加到一定數(shù)量,使得生存概率s0=s1=s2=1,此時(shí)δA=0,進(jìn)一步增加縱向艙壁不再對(duì)分艙指數(shù)A有貢獻(xiàn)。只有在艙長(zhǎng)較長(zhǎng),其浸水后s0<1,分艙后的s1和s2大于s0的情況下,增加縱向分割才會(huì)有利[3]。

        綜上,起初增加邊艙的縱向分割對(duì)分艙指數(shù)A是有利的,但有利程度隨邊艙數(shù)目的增加而減小,直到趨向于0。

        對(duì)該單艙大開(kāi)口重吊船的主貨艙長(zhǎng)度范圍內(nèi)的邊艙進(jìn)行縱向分割,見(jiàn)圖6。然后計(jì)算分割后邊艙數(shù)量從3到11的過(guò)程中,分艙指數(shù)的變化趨勢(shì)見(jiàn)圖7。

        圖6 邊艙縱向分割示意圖

        圖7 邊艙縱向分割對(duì)分艙指數(shù)A的影

        可以看到,邊艙分艙數(shù)從3增加到4時(shí),分艙指數(shù)有很大的提高;從4增加到6,分艙數(shù)仍有可觀(guān)的提高,但增加幅度明顯減緩;從6增加到11時(shí),分艙指數(shù)的增加十分微小。所以,最終將該船邊艙縱向分割為6部分,并根據(jù)裝載和船舶舾裝需要設(shè)置水平水密分割和局部分割。

        3.5 雙層底高度影響分析

        按照SOLAS規(guī)定,假定破損范圍向下延伸至基線(xiàn),當(dāng)雙層底與主貨艙同時(shí)不設(shè)縱向分割或者設(shè)置相同的縱向分割時(shí),雙層底高度對(duì)生存概率沒(méi)有影響;當(dāng)雙層底內(nèi)設(shè)縱向艙壁,而主貨艙為平衡艙時(shí),雙層底高度的升高會(huì)使生存概率略有減小。

        分艙指數(shù)隨雙層底高度變化的趨勢(shì)見(jiàn)圖8。

        圖8 分艙指數(shù)隨雙層底高度變化趨

        隨著雙層底高度增加,分艙指數(shù)呈下降趨勢(shì),然而影響程度很小,首尾兩點(diǎn)比較,A只減小了0.44%。說(shuō)明對(duì)于這種單艙大開(kāi)口船舶,僅從滿(mǎn)足概率破艙的要求來(lái)說(shuō),可以忽略雙層底高度的影響。然而雙層底的高度直接影響船舶的重心高度和壓載容積的大小。

        SOLAS2009中對(duì)雙層底高度的要求為h≥760 mm(h=B/20),且無(wú)必要大于2 000 mm。

        綜合之前對(duì)頂邊艙高度的考慮,主貨艙區(qū)域設(shè)置2 m高的雙層底時(shí),最頂層集裝箱箱頂距主貨艙艙口蓋0.3 m,剛好在艙內(nèi)可設(shè)置5層標(biāo)準(zhǔn)集裝箱。

        4 結(jié)論

        1) 設(shè)置頂邊艙有利于修正最小干舷,獲得更大的裝載空間,并為大傾角穩(wěn)性提供儲(chǔ)備浮力,在破艙出現(xiàn)大傾角橫傾后,獲得更大的生存概率;同時(shí)增加了艙內(nèi)和甲板上集裝箱布置的數(shù)量,獲得更大的經(jīng)濟(jì)利益。

        2) 增加邊艙寬度對(duì)船舶破艙后的生存概率是有利的,但這種有利影響隨著浸水后的大傾角橫傾而削弱,因此,需綜合結(jié)構(gòu)強(qiáng)度因素和艙容布置因素,合理選擇邊艙寬度。

        4) 雙層底高度對(duì)分艙指數(shù)A的影響有限,其確定因素主要考慮裝載重心高度和貨艙容積。

        5) 主貨艙長(zhǎng)度范圍內(nèi)邊艙縱向分割,在分割數(shù)較少時(shí)對(duì)分艙指數(shù)影響明顯,但隨著分割數(shù)的增加,分艙指數(shù)增加程度減緩,再繼續(xù)增加縱向分割數(shù)對(duì)破艙穩(wěn)性無(wú)益。

        [1] 中國(guó)船級(jí)社.SOLAS2009 分艙與破損穩(wěn)性要求實(shí)施指南[M].北京:人民交通出版社,2009.

        [2] 楊 軍.淺談集裝箱的破艙穩(wěn)性[J].船舶設(shè)計(jì)通訊,2005(2):50-53.

        [3] 胡鐵牛.貨船概率破艙穩(wěn)性計(jì)算及對(duì)分艙的影響[J].上海交通大學(xué)學(xué)報(bào),1997,31(11):26-29.

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