陳華杰（1.上海交通大學(xué) 上海200240； 2.中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院 上海200011）

5 000 t自航甲板駁船波浪載荷與總縱強(qiáng)度研究

陳華杰1，2
（1.上海交通大學(xué) 上海200240； 2.中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院 上海200011）

針對(duì)5 000 t自航甲板駁船，研究甲板寬大型駁船的波浪載荷及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度問(wèn)題。根據(jù)船舶作業(yè)海域的海況條件，通過(guò)對(duì)波浪誘導(dǎo)載荷響應(yīng)函數(shù)的計(jì)算，得出并預(yù)報(bào)船體所承受的波浪載荷。確定結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算工況，分析甲板駁船結(jié)構(gòu)強(qiáng)度問(wèn)題。

甲板駁；波浪載荷；結(jié)構(gòu)強(qiáng)度；直接計(jì)算

引　言

隨著航運(yùn)事業(yè)的蓬勃發(fā)展，海上運(yùn)輸船舶的開(kāi)發(fā)和研究越來(lái)越受到業(yè)界關(guān)注。運(yùn)輸駁船以其運(yùn)動(dòng)靈活、裝卸方便的特點(diǎn)，廣泛活躍于港口碼頭之間。在我國(guó)，自航甲板駁船主要用于沿海各港口間的貨物運(yùn)輸，運(yùn)輸貨物以礦砂、煤炭及工程輔料等大宗散貨為主。該船型具有寬大的甲板用以裝載貨物，其甲板寬度明顯大于其他船舶，屬于超肥大淺吃水型船舶。

自航甲板駁船屬于超規(guī)范船舶，有較寬闊的甲板，其長(zhǎng)寬比小于5且寬深比大于2.5。目前自航甲板駁船的設(shè)計(jì)工作主要基于規(guī)范設(shè)計(jì)。甲板駁船的船體結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，施工方便且造價(jià)及維修費(fèi)用低，深受船東青睞。但是，由于甲板駁船在甲板以上裝載貨物，貨物重心位置較高，因此在惡劣天氣條件下，甲板上的貨物可能發(fā)生移動(dòng)或坍塌，情況嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)斐纱w傾覆事故，對(duì)人員和財(cái)產(chǎn)的安全構(gòu)成威脅。

相對(duì)于其他傳統(tǒng)船型來(lái)說(shuō)，甲板區(qū)域載貨及船型相對(duì)寬大扁平的船型特點(diǎn)決定了該船型的設(shè)計(jì)重點(diǎn)及難點(diǎn)有別于其他船型。需要重點(diǎn)關(guān)注該類(lèi)船舶橫剖面的設(shè)計(jì)形式以保證足夠的橫向總強(qiáng)度和總強(qiáng)度要求，以及因甲板載貨而導(dǎo)致船舶重心偏高的問(wèn)題。在計(jì)算過(guò)程中也要充分考慮甲板載荷對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響，另外，對(duì)于甲板載貨區(qū)域支墩的布置及連接形式也需要特殊考慮。

1　船型簡(jiǎn)介

本文研究對(duì)象為某載重能力不少于5 000 t的自航甲板駁船（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“駁船”），該駁船主要用于在船塢塢口、碼頭和港口之間運(yùn)送大型鋼質(zhì)結(jié)構(gòu)物，采用岸吊或大型浮吊直接吊裝和卸運(yùn)貨物，不考慮滾裝和滾卸。圖1為該船總布置圖。

圖1　5000t甲板駁船總布置圖

該船主要尺度及參數(shù)為：

總長(zhǎng) 105.0 m

型寬 40.0 m

型深 7.0 m

設(shè)計(jì)吃水 3.2 m

航速 8.5 kn

主機(jī) 2×2 206 kW

肋距 2.5 m

載重量 5 000 t

2　波浪載荷預(yù)報(bào)

5 000 t自航甲板駁船的總體配載共包含16種典型裝載工況。根據(jù)規(guī)范規(guī)定分別選取靜水彎矩最大值工況、剪力最大值工況、中間吃水工況（最大吃水和最小吃水間1/3和2/3處）預(yù)報(bào)波浪載荷。波浪載荷預(yù)報(bào)選取對(duì)應(yīng)的4種典型裝載工況進(jìn)行計(jì)算，見(jiàn)下頁(yè)表1。

波浪誘導(dǎo)載荷計(jì)算選取的頻率應(yīng)盡量涵蓋波浪散布圖中高海情的中跨零周期范圍。根據(jù)裝載手冊(cè)要求，本船波浪載荷計(jì)算選取北大西洋波散布圖進(jìn)行計(jì)算。三維水動(dòng)力模型如圖2所示。

表1　裝載工況

圖2　三維水動(dòng)力模型

在波浪剪力和彎矩傳遞函數(shù)計(jì)算中，波浪頻率范圍取為0.05 ～2.0 rad/s、間隔0.05 rad/s，浪向角取為0°～ 360°、間隔22.5°。長(zhǎng)期預(yù)報(bào)按各浪向均勻概率出現(xiàn)。定義沿船長(zhǎng)方向指向船首時(shí)，浪向角為0°；指向船尾時(shí)，浪向角為180°。

船體重心處運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的傳遞函數(shù)通過(guò)求解規(guī)則波中的船體運(yùn)動(dòng)方程獲得。在此基礎(chǔ)上，可以按照達(dá)朗伯原理進(jìn)一步計(jì)算船體剖面載荷響應(yīng)的傳遞函數(shù)。通過(guò)計(jì)算各工況下的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)可知，縱搖運(yùn)動(dòng)的幅值頻率為0.65～0.85 rad/s、浪向角為0°和180°左右時(shí)，響應(yīng)最大。橫搖運(yùn)動(dòng)的幅值頻率為0.7～0.9 rad/s、浪向角約為90°時(shí)，響應(yīng)最大。

本文計(jì)算了該船4種裝載工況下不同浪向的船體剖面垂向剪力和垂向彎矩的傳遞函數(shù)，重點(diǎn)關(guān)注FR8（1/4L左右）和FR20（1/2L左右）處波浪的垂向剪力和垂向彎矩的情況。由計(jì)算可知，各工況中，LC1下的波浪彎矩和剪切力最大。LC1工況下，在FR8處垂向剪力和FR20處垂向彎矩的傳遞函數(shù)如圖3 和圖4所示。

圖3　FR8處垂向剪力傳遞函數(shù)（LC1工況）

圖4　FR20處垂向彎矩傳遞函數(shù)（LC1工況）

獲得船體剖面載荷響應(yīng)的傳遞函數(shù)HY（ω）后，便可結(jié)合長(zhǎng)期海況的海浪譜Sw（ω），按照式（1）計(jì)算其響應(yīng)譜SY（ω）：

大量實(shí)踐表明，船體運(yùn)動(dòng)與波浪載荷幅值的短期響應(yīng)服從Rayleigh分布。該分布只有方差σ2一個(gè)參數(shù)，可按式（2）由響應(yīng)譜直接得到：

這樣，可獲得船體剖面載荷響應(yīng)短期預(yù)報(bào)的各種統(tǒng)計(jì)值，包括均值、有義值等。

船體剖面載荷響應(yīng)的長(zhǎng)期分布可由各響應(yīng)的短期分布求得，并可擬合為雙參數(shù)的Weibull分布，從而獲得指定超越概率水平的波浪載荷響應(yīng)的長(zhǎng)期極值。

本文給出了該船在特定海域航行工況下10-8超越概率水平的船體剖面垂向波浪剪力和垂向波浪彎矩的長(zhǎng)期極值。圖5、圖6為相應(yīng)的剖面載荷沿船長(zhǎng)分布曲線(xiàn)。

圖6　各工況下垂向波浪彎矩分布

3　結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有限元分析

有限元結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析能夠有效驗(yàn)證設(shè)計(jì)成果是否合理，并對(duì)設(shè)計(jì)水平作出最直觀(guān)的評(píng)價(jià)。目前應(yīng)用于有限元分析的方法主要為直接計(jì)算法，即建立艙段或全船的有限元模型，建立相應(yīng)工況進(jìn)行加載，對(duì)結(jié)構(gòu)的屈服屈曲情況進(jìn)行合理評(píng)估。

本船型較為特殊，只進(jìn)行規(guī)范計(jì)算是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，需建立全船有限元模型進(jìn)行加載計(jì)算，但全船有限元計(jì)算勞動(dòng)量大、周期長(zhǎng)且本船載荷強(qiáng)度同比之下并不算很大，所以，建立本船艙段有限元模型進(jìn)行加載計(jì)算。

根據(jù)裝載手冊(cè)和水動(dòng)力計(jì)算結(jié)果，船體梁最大彎矩在壓載到港時(shí)最大（靜水彎矩為2.77×1011N·mm、波浪彎矩為3.76×1011N·mm、船體梁彎矩為6.5 ×1011N·mm）。因此，校核總縱強(qiáng)度時(shí)，在三艙段模型末端修正彎矩與剪力，使船中FR19處的船體梁剪力為0，彎矩為6.5×1011N·mm。按可能發(fā)生的最危險(xiǎn)裝載情況，進(jìn)行強(qiáng)度校核。每種工況由甲板載荷、壓載艙內(nèi)部壓力載荷和舷外水壓力載荷組成。其中，舷外水壓力載荷由靜水壓力和波浪水動(dòng)壓力兩部分組成。

為考慮橫浪作用沿船長(zhǎng)局部范圍內(nèi)產(chǎn)生的效果，在計(jì)算工況中分別采用施加于兩舷的對(duì)稱(chēng)以及不對(duì)稱(chēng)舷外水壓力來(lái)模擬。對(duì)稱(chēng)工況中（LCA），假定兩舷都受到由外向內(nèi)作用的波浪動(dòng)壓力；不對(duì)稱(chēng)工況中（LCB），可假定一舷側(cè)受到靜水壓力和波浪壓力的疊加作用，另一舷側(cè)受靜水壓力與反向波浪動(dòng)壓的作用（但計(jì)算值小于0時(shí)，取0計(jì)入）。舷外水壓力載荷作用分布情況見(jiàn)圖7。

鑒于甲板駁船的船型特點(diǎn)是甲板載荷大，因此在計(jì)算的同時(shí)向甲板面施加均布載荷，可確保載荷的完整性。

4　分析與論述

依據(jù)規(guī)范對(duì)艙段有限元模型施加載荷并進(jìn)行計(jì)算，再對(duì)本船主要構(gòu)件屈服強(qiáng)度進(jìn)行校核。橫向構(gòu)件和縱向構(gòu)件的具體校核結(jié)果分別見(jiàn)表2和表3，各工況下典型橫向構(gòu)件應(yīng)力云圖見(jiàn)下頁(yè)圖8 — 圖11，各工況下典型縱向構(gòu)件應(yīng)力云圖見(jiàn)圖12 — 圖13。

圖7　典型橫剖面結(jié)構(gòu)圖

表3　縱向構(gòu)件屈服強(qiáng)度的校核結(jié)果　MPa　

圖8　典型橫剖面結(jié)構(gòu)圖（強(qiáng)框架）

圖9　非對(duì)稱(chēng)載荷作用分布示意圖

圖10　甲板橫梁和船底肋板VON MISES應(yīng)力云圖（LCA）

圖11　甲板橫梁和船底肋板VON MISES應(yīng)力云圖（LCB）

圖12　甲板板和甲板縱桁VON MISES應(yīng)力云圖（LCA）

圖13　甲板板和甲板縱桁VON MISES應(yīng)力云圖（LCB）

由上述應(yīng)力云圖可知，最大應(yīng)力出現(xiàn)在艙段中間及艙壁處。船中應(yīng)力值大主要由于船中彎矩值較大；而艙壁處應(yīng)力值大主要是由于此處剪力值較大。

從校核結(jié)果可以看出，本船的有限元計(jì)算結(jié)果遠(yuǎn)小于許用值，結(jié)構(gòu)符合規(guī)范安全標(biāo)準(zhǔn)，且LCB工況的計(jì)算結(jié)果普遍高于LCA工況。可見(jiàn)，對(duì)于長(zhǎng)寬比較小且寬深比較大的船舶，橫浪工況將成為主控工況，因此需重點(diǎn)關(guān)注該類(lèi)船舶的橫向強(qiáng)度。

由應(yīng)力云圖可知，高應(yīng)力區(qū)域集中在甲板及船底構(gòu)件的舷側(cè)，以及船中縱向構(gòu)件靠近甲板和船底區(qū)域，這與甲板駁甲板面比較寬大且形狀扁長(zhǎng)有關(guān)。各縱向構(gòu)件應(yīng)力值也均遠(yuǎn)小于許用值，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度符合規(guī)范要求。

由兩種工況計(jì)算結(jié)果的對(duì)比可以看出，橫浪工況計(jì)算值普遍偏高。結(jié)合上述對(duì)橫向構(gòu)件的分析結(jié)果可以得出，該類(lèi)船舶對(duì)橫向載荷較敏感，計(jì)算時(shí)必須予以考慮以確保結(jié)構(gòu)安全。

由計(jì)算結(jié)果可以看出，對(duì)于甲板駁這類(lèi)甲板面寬大且船型扁平的船來(lái)說(shuō)，除同其他船型一樣需考慮到船中和艙壁處的加強(qiáng)外，還應(yīng)考慮到甲板、底板等縱向構(gòu)件與舷側(cè)連接處的加強(qiáng)問(wèn)題。良好的橫剖面設(shè)計(jì)是該類(lèi)船舶良好結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的基礎(chǔ)。

通過(guò)對(duì)三艙段有限元模型計(jì)算結(jié)果的觀(guān)察，發(fā)現(xiàn)在甲板載貨處部分區(qū)域存在應(yīng)力集中的情況，這些區(qū)域主要集中在承載貨物的支墩處?？梢?jiàn)，對(duì)于此類(lèi)甲板載貨類(lèi)船舶，支墩應(yīng)盡量布置在橫縱艙壁交匯處，以保證支墩下加強(qiáng)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。若由于特殊原因無(wú)法做到上述布置時(shí)，則應(yīng)對(duì)支墩下加強(qiáng)進(jìn)行特殊考慮。對(duì)于其他同類(lèi)型船舶，若粗網(wǎng)格模型無(wú)法滿(mǎn)足計(jì)算校核要求時(shí)，建議采取細(xì)網(wǎng)格模型進(jìn)行計(jì)算，并適當(dāng)考慮對(duì)連接形式的特別設(shè)計(jì)。

圖14為甲板駁船計(jì)算設(shè)計(jì)流程圖。

圖14　甲板駁船計(jì)算設(shè)計(jì)流程

5　結(jié)　論

本文闡述了5 000 t自航甲板駁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的核心技術(shù)，并對(duì)該類(lèi)特殊尺度船型的波浪載荷進(jìn)行預(yù)報(bào)；論述了全船總縱強(qiáng)度計(jì)算，并分析自航甲板駁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的技術(shù)要點(diǎn)，以供相關(guān)船型參考。

［1］ 王沈霞. 1 000噸甲板駁改造為1 500噸甲板駁研究［J］. 武漢交通職業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2011（1）：75-77.

［2］ 謝永和，李剛強(qiáng)，張恒. 系列甲板運(yùn)輸船波浪載荷比對(duì)性研究［C］//第四屆全國(guó)船舶與海洋工程學(xué)術(shù)會(huì)議論文集. 2009.

［3］ J?rg R?rup， Thomas E Schelilin， Helge Rathje. GL shipload for strength analysis of containerships［J］. Nonstop，2009（1）：35-42.

［4］ 高茂靜. 77.15 m甲板機(jī)動(dòng)貨駁總縱強(qiáng)度分析［J］. 江蘇船舶，2006（4）：7-8.

［5］ 劉紅平. 5萬(wàn)噸級(jí)半潛船開(kāi)發(fā)與設(shè)計(jì)［D］. 上海：上海交通大學(xué)學(xué)會(huì)論文，2013.

［6］ 何廣韜，王愛(ài)軍. 20 000 t半潛船船體建造及檢驗(yàn)特點(diǎn)［J］.船舶，2013（3）：16-21.

Wave loads and global strength of 5 000 t self-propelled deck barge

CHEN Hua-jie1,2
(1. Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China; 2. Marine Design & Research Institute of China, Shanghai 200011, China)

In this paper, the wave loads and the structure strength of a 5 000 t self-propelled deck barge with broad decks is studied. The wave loads on the ship are directly calculated and predicted by the response function of the wave induced loads according to the sea state of the serving area. Then the structure strength of the deck barge is analyzed under the determined operation conditions.

deck barge; wave loads; structure strength; direct calculation

U661.43

A

1001-9855（2016）04-0040-07

10.19423 / j.cnki.31-1561 / u.2016.04.040

2016-03-03；

2016-03-24

陳華杰（1985 -），男，碩士在讀，工程師，研究方向：船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。