江海通航散貨船波浪載荷研究

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） （武漢理工大學交通學院2） 武漢 430063）

0 前 言

江海通航因減少了中轉環(huán)節(jié)、節(jié)約運輸成本、控制了環(huán)境污染并降低了貨損而越來越受到廣大運輸企業(yè)的重視，開發(fā)江海通航船型、制定相應的規(guī)范標準是當今亟待研究解決的問題.目前江海通航船舶船體結構強度主要參照《國內航行海船建造規(guī)范》（以下簡稱《海規(guī)》）的相關內容.在總縱彎曲強度和扭轉強度方面，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，往往會導致中剖面模數(shù)和中剖面慣性矩是很難滿足的，有時即使甲板采用厚度達到30 mm以上的高強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.

此外，《海規(guī)》規(guī)定的波浪載荷是依照北大西洋波浪統(tǒng)計數(shù)據(jù)計算而來的，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行研究.

1 方 法

按擬定的主尺度比范圍，設計系列規(guī)范凈尺寸臨界船，按E1海區(qū)波浪散布圖［1］，選擇適當?shù)牟ɡ俗V進行波浪載荷的長期預報，通過波浪載荷的長期預報值與規(guī)則波的載荷響應的比較，計算等效設計波高.

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河，海上的海況較內河海況要惡劣得多，因此在確定江海通航船舶的波浪載荷時，應以其在海上航行時所承受的波浪載荷作為設計依據(jù).在波浪載荷長期預報中，需要確定長期極值所對應的超越概率水平.所謂超越概率水平，即為超越該目標長期極值的概率，它的選取與船舶在設計壽命期內的波浪載荷循環(huán)次數(shù)密切相關.因而，在確定長期預報超越概率水平前，先需確定船舶在設計壽命期內的波浪載荷循環(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).

江海通航船的設計壽命定為25 a，計7.884×108s。根據(jù)調研來看其年均在航率為75%，即壽命期內航行5.913×108s。江海通航船舶大部分時間航行于內河水域，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，則整個壽命周期內船舶海上航行的時間比例約為17%。結合E1海區(qū)的波浪散布圖中波浪的跨零周期的分布，在江海通航船整個壽命期內波浪載荷循環(huán)次數(shù)為20 104 200次，其設計波浪載荷長期極值的超越概率水平為10－7.3。即在25 a的設計壽命期限內，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范圍內。為保留一定的強度儲備，取波浪載荷的超越概率水平為10－7.5。

1.2 船型設計

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，即尾機型，長大艙口.臨界主尺度凈尺寸系列船的設計遵循以下原則：（1）主尺度比應考慮江海通航船的特點；（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，方形系數(shù)）應與現(xiàn)有沿海貨船相當；（4）由于江海通航船尺度較小，散貨船一般不超過2個貨艙，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，設計了臨界主尺度比系列散貨船，相關數(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

波浪譜反映了一個海域內的波浪能量分布特性.對于船舶波浪載荷統(tǒng)計預報來說，最好是用代表該船舶活動海域的各種海情的實測波浪譜去估算其響應.雖然我國科學家針對我國海區(qū)的波浪提出了相應的波浪譜，但基本上未在船舶領域得到很好的認可和應用.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上引入擴散函數(shù)，即得短峰波譜.除了ITTC譜外，其他兩種譜都可以用來進行有限航區(qū)的波浪載荷長期預報.在海洋工程中，就經常用JONSWAP譜來預報海洋平臺的長期載荷極值.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譜計算的在概率水平取為10－8時的主要波浪載荷波浪垂向彎矩的長期預報值，計算軟件為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）進行比較，不難看出ISSC譜計算結果更接近于《規(guī)范》值.從規(guī)范體系和應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 波浪載荷的長期預報

作為規(guī)范載荷的一個重要組成部分，波浪載荷取短峰波的長期預報值.采用二參數(shù)ISSC譜，分別計算E1海區(qū)和S1海區(qū)的載荷，計算工況取滿載工況，概率水平為10－7.5.波浪載荷長期預報中，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，只是其長期預報極值與CCS海規(guī)和CSR規(guī)范相比降低達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，因此在研究其總強度時必須考慮波浪水平彎矩和波浪轉矩.但CCS海規(guī)對散貨船沒有波浪水平彎矩和波浪轉矩方面的規(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%.

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

2.2 等效設計波高

將短峰不規(guī)則波中的載荷長期預報值與規(guī)則波中的單位有義波高載荷響應值進行比較，從中可以確定相應的等效設計波高.在IACS散貨船共同規(guī)范和CCS集裝箱船結構強度直接計算指南中，都將等效設計波應用于主船體結構的有限元分析［6］.

散貨船垂向波浪彎矩的等效設計波高heq和波浪轉矩的等效設計波高hT擬合曲線為

3 結 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行了長期預報，并與CCS海船規(guī)范和IACS散貨船共同規(guī)范（CSR）中的設計波浪載荷進行了比較分析，擬合出了應用于江海通航船舶有限元分析的等效設計波高公式，可為制訂新的江海通航散貨船設計規(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)計集［M］.北京：國防工業(yè)出版社，1996.

［2］戴仰山，沈進威，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.散貨船共同規(guī)范［S］.北京：國際船級社協(xié)會，2006.

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

［6］中國船級社.集裝箱船結構強度直接計算指南［S］.北京：中國船級社，2003.