張文華 劉光明 吳衛(wèi)國

（中國船級社武漢規(guī)范研究所1） 武漢 430022） （武漢理工大學(xué)交通學(xué)院2） 武漢 430063）

0 前 言

江海通航因減少了中轉(zhuǎn)環(huán)節(jié)、節(jié)約運(yùn)輸成本、控制了環(huán)境污染并降低了貨損而越來越受到廣大運(yùn)輸企業(yè)的重視，開發(fā)江海通航船型、制定相應(yīng)的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)是當(dāng)今亟待研究解決的問題.目前江海通航船舶船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度主要參照《國內(nèi)航行海船建造規(guī)范》（以下簡稱《海規(guī)》）的相關(guān)內(nèi)容.在總縱彎曲強(qiáng)度和扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度方面，除了寬深比由B／D≤2.5放寬至B／D≤3.0外，其他要求，如波浪垂向彎矩、波浪垂向剪力、波浪水平彎矩、波浪轉(zhuǎn)矩和中剖面模數(shù)及中剖面慣性矩等，均沒有改變.然而，B／D的增大，往往會(huì)導(dǎo)致中剖面模數(shù)和中剖面慣性矩是很難滿足的，有時(shí)即使甲板采用厚度達(dá)到30 mm以上的高強(qiáng)度鋼也無法滿足要求.這充分說明《海規(guī)》中剖面模數(shù)和中剖面慣性矩等要求不適用于江海通航船舶，與尺度比不協(xié)調(diào).

此外，《海規(guī)》規(guī)定的波浪載荷是依照北大西洋波浪統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)計(jì)算而來的，考慮了全球最惡劣的海況，這顯然與我國江海通航的海區(qū)全年可能的海況存在較大差異.為研究江海通航船的總強(qiáng)度提供載荷輸入，本文基于載荷第一原則對江海通航船舶波浪載荷進(jìn)行研究.

1 方 法

按擬定的主尺度比范圍，設(shè)計(jì)系列規(guī)范凈尺寸臨界船，按E1海區(qū)波浪散布圖［1］，選擇適當(dāng)?shù)牟ɡ俗V進(jìn)行波浪載荷的長期預(yù)報(bào)，通過波浪載荷的長期預(yù)報(bào)值與規(guī)則波的載荷響應(yīng)的比較，計(jì)算等效設(shè)計(jì)波高.

1.1 波浪載荷的概率水平

江海通航船舶既航行于海又航行于內(nèi)河，海上的海況較內(nèi)河海況要惡劣得多，因此在確定江海通航船舶的波浪載荷時(shí)，應(yīng)以其在海上航行時(shí)所承受的波浪載荷作為設(shè)計(jì)依據(jù).在波浪載荷長期預(yù)報(bào)中，需要確定長期極值所對應(yīng)的超越概率水平.所謂超越概率水平，即為超越該目標(biāo)長期極值的概率，它的選取與船舶在設(shè)計(jì)壽命期內(nèi)的波浪載荷循環(huán)次數(shù)密切相關(guān).因而，在確定長期預(yù)報(bào)超越概率水平前，先需確定船舶在設(shè)計(jì)壽命期內(nèi)的波浪載荷循環(huán)次數(shù)，那么波浪載荷長期極值的超越概率水平即為循環(huán)次數(shù)的倒數(shù).

江海通航船的設(shè)計(jì)壽命定為25 a，計(jì)7.884×108s。根據(jù)調(diào)研來看其年均在航率為75%，即壽命期內(nèi)航行5.913×108s。江海通航船舶大部分時(shí)間航行于內(nèi)河水域，海上航程較短。特定航線1從武漢至北侖港海段約217 k m，江段約1 025 k m，則整個(gè)壽命周期內(nèi)船舶海上航行的時(shí)間比例約為17%。結(jié)合E1海區(qū)的波浪散布圖中波浪的跨零周期的分布，在江海通航船整個(gè)壽命期內(nèi)波浪載荷循環(huán)次數(shù)為20 104 200次，其設(shè)計(jì)波浪載荷長期極值的超越概率水平為10－7.3。即在25 a的設(shè)計(jì)壽命期限內(nèi)，波浪載荷長期極值的超越概率水平為10－7.3。如果從馬鞍山或南京到北侖港，則超越概率水平應(yīng)在10－7.24和10－7.5之間。從特定航線2的江海通航航線來看，波浪載荷的超越概率水平也基本在這個(gè)范圍內(nèi)。為保留一定的強(qiáng)度儲(chǔ)備，取波浪載荷的超越概率水平為10－7.5。

1.2 船型設(shè)計(jì)

主要研究對象是江海通航散貨船，這種主流船型有其較為固定的船型特征，即尾機(jī)型，長大艙口.臨界主尺度凈尺寸系列船的設(shè)計(jì)遵循以下原則：（1）主尺度比應(yīng)考慮江海通航船的特點(diǎn)；（2）根據(jù)航道通航條件，其船長上限值定為130 m；（3）船型的主要參數(shù)（空船重量、空船重心坐標(biāo)，方形系數(shù)）應(yīng)與現(xiàn)有沿海貨船相當(dāng)；（4）由于江海通航船尺度較小，散貨船一般不超過2個(gè)貨艙，因此不像海上航行的散貨船那樣出現(xiàn)隔艙裝載工況，反而與干貨船類似；（5）考慮到運(yùn)輸市場對超淺吃水肥大型江海通航船的需求，取B／D＝3.5，L／B＝4.5，Cb＝0.862，Cw＝0.901.

基于以上原則，設(shè)計(jì)了臨界主尺度比系列散貨船，相關(guān)數(shù)據(jù)如表1所列.

表1 散貨船臨界主尺度比系列船 m

1.3 波浪譜的選擇

波浪譜反映了一個(gè)海域內(nèi)的波浪能量分布特性.對于船舶波浪載荷統(tǒng)計(jì)預(yù)報(bào)來說，最好是用代表該船舶活動(dòng)海域的各種海情的實(shí)測波浪譜去估算其響應(yīng).雖然我國科學(xué)家針對我國海區(qū)的波浪提出了相應(yīng)的波浪譜，但基本上未在船舶領(lǐng)域得到很好的認(rèn)可和應(yīng)用.在這種情況下，只好借助于國際上目前通用的幾種波浪譜，如ITTC譜、ISSC譜和JONSWAP譜等.

ITTC譜適用于充分發(fā)展的海浪，ISSC在1964年建議的雙參數(shù)譜不僅適用于充分發(fā)展的海浪，也適用于成長中的海浪或由涌組成的海浪，而JONSWAP譜適用于有限風(fēng)區(qū)的情況，該譜于1979年被ISSC推薦使用［2］.

表2 波浪垂向彎矩

在以上單一方向長峰波浪譜基礎(chǔ)上引入擴(kuò)散函數(shù)，即得短峰波譜.除了ITTC譜外，其他兩種譜都可以用來進(jìn)行有限航區(qū)的波浪載荷長期預(yù)報(bào).在海洋工程中，就經(jīng)常用JONSWAP譜來預(yù)報(bào)海洋平臺(tái)的長期載荷極值.表2是B／D＝3.5，L／B＝4.5的臨界主尺度比系列船分別用ITTC譜、ISSC譜和JONSWAP譜計(jì)算的在概率水平取為10－8時(shí)的主要波浪載荷波浪垂向彎矩的長期預(yù)報(bào)值，計(jì)算軟件為CCS開發(fā)的切片理論程序.與 《海 規(guī) 》和CSR公 式［3－4］（即IACS UR S 1 1推薦公式）進(jìn)行比較，不難看出ISSC譜計(jì)算結(jié)果更接近于《規(guī)范》值.從規(guī)范體系和應(yīng)力水平的過渡這一角度綜合考慮，選擇ISSC雙參數(shù)譜作為本研究采用的波浪譜.

2 波浪載荷的長期預(yù)報(bào)

作為規(guī)范載荷的一個(gè)重要組成部分，波浪載荷取短峰波的長期預(yù)報(bào)值.采用二參數(shù)ISSC譜，分別計(jì)算E1海區(qū)和S1海區(qū)的載荷，計(jì)算工況取滿載工況，概率水平為10－7.5.波浪載荷長期預(yù)報(bào)中，波浪垂向彎矩在《海規(guī)》和CSR規(guī)范是一樣的，CSR中的波浪垂向剪力大于《海規(guī)》值，而《海規(guī)》中沒有水平波浪彎矩和波浪轉(zhuǎn)矩的規(guī)定，故本研究中各載荷分量與CCS海規(guī)和CSR規(guī)范值進(jìn)行比較.研究表明滿載工況的波浪載荷大于壓載工況和其他中間工況時(shí)要大，故以下分析僅針對滿載工況.

2.1 船體梁剖面載荷

各橫剖面處的波浪垂向彎矩沿船長的分布類似于正態(tài)分布，與《海規(guī)》和IACS的散貨船共同規(guī)范（CSR）中波浪垂向彎矩有著相同的規(guī)律，只是其長期預(yù)報(bào)極值與CCS海規(guī)和CSR規(guī)范相比降低達(dá)20%～25%.

各橫剖面處的波浪垂向剪力分布與《海規(guī)》和CSR規(guī)范中波浪垂向剪力有著相同的雙峰分布規(guī)律.峰值略大于《海規(guī)》規(guī)范值，非常接近CSR規(guī)范值，但兩峰之間的谷值較規(guī)范有一定的降低.

由于江海通航干散貨船有著甲板大開口，因此在研究其總強(qiáng)度時(shí)必須考慮波浪水平彎矩和波浪轉(zhuǎn)矩.但CCS海規(guī)對散貨船沒有波浪水平彎矩和波浪轉(zhuǎn)矩方面的規(guī)定，所以只能與CSR規(guī)范比較.各橫剖面處的波浪水平彎矩分布規(guī)律與波浪垂向彎矩類似，分布系數(shù)應(yīng)與CSR一樣采用梯形分布，但其峰值比CSR規(guī)范值小18%～30%.

波浪的水動(dòng)力轉(zhuǎn)矩包含垂向壓力產(chǎn)生的波浪轉(zhuǎn)矩和水平壓力產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩.各國船級社規(guī)范中的波浪轉(zhuǎn)矩計(jì)算公式都不盡相同，有單峰型分布和雙峰型分布［5］.壓載時(shí)呈單峰分布，滿載時(shí)呈雙峰分布.各橫剖面處的波浪轉(zhuǎn)矩分布與CSR中的對稱雙峰曲線略有不同，雙峰高低不同，而且波浪轉(zhuǎn)矩極值比CSR規(guī)范值則要小27%～33%.

2.2 等效設(shè)計(jì)波高

將短峰不規(guī)則波中的載荷長期預(yù)報(bào)值與規(guī)則波中的單位有義波高載荷響應(yīng)值進(jìn)行比較，從中可以確定相應(yīng)的等效設(shè)計(jì)波高.在IACS散貨船共同規(guī)范和CCS集裝箱船結(jié)構(gòu)強(qiáng)度直接計(jì)算指南中，都將等效設(shè)計(jì)波應(yīng)用于主船體結(jié)構(gòu)的有限元分析［6］.

散貨船垂向波浪彎矩的等效設(shè)計(jì)波高h(yuǎn)eq和波浪轉(zhuǎn)矩的等效設(shè)計(jì)波高h(yuǎn)T擬合曲線為

3 結(jié) 論

1）江海通航散貨船的波浪載荷中垂向彎矩較無限航區(qū)海船規(guī)范值可降低20%～25%，波浪垂向剪力比《海規(guī)》規(guī)范值增大4%～8%，非常接近CSR規(guī)范值，水平波浪彎矩比CSR規(guī)范值小18%～30%，波浪轉(zhuǎn)矩比CSR規(guī)范值則要降低27%～33%.

2）采用ISSC二參數(shù)波浪譜和E1海區(qū)的波浪散布圖對江海通航散貨船的波浪載荷進(jìn)行了長期預(yù)報(bào)，并與CCS海船規(guī)范和IACS散貨船共同規(guī)范（CSR）中的設(shè)計(jì)波浪載荷進(jìn)行了比較分析，擬合出了應(yīng)用于江海通航船舶有限元分析的等效設(shè)計(jì)波高公式，可為制訂新的江海通航散貨船設(shè)計(jì)規(guī)范提供參考.

［1］方鐘圣，金承儀，繆泉明.西北太平洋波浪統(tǒng)計(jì)集［M］.北京：國防工業(yè)出版社，1996.

［2］戴仰山，沈進(jìn)威，宋競正.船舶波浪載荷［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2007.

［3］中國船級社.國內(nèi)航行海船建造規(guī)范［S］.北京：中國船級社，2006.

［4］國際船級社協(xié)會(huì).散貨船共同規(guī)范［S］.北京：國際船級社協(xié)會(huì)，2006.

［5］胡毓仁.船體水平波浪彎矩和轉(zhuǎn)矩規(guī)范計(jì)算公式的比較研究［J］.中國造船，1999（3）：39－46.

［6］中國船級社.集裝箱船結(jié)構(gòu)強(qiáng)度直接計(jì)算指南［S］.北京：中國船級社，2003.