船舶舾裝數計算及系泊設備參數確定

潘生兵，程慧勇，李 亮，顧亮亮，饒勇豐，胡 冰

（金海重工設計研究院，a.開發(fā)研究所船體室；b.民品設計所船體室；c.開發(fā)研究所總體室，上海 200120）

0 引言

船舶舾裝數的計算是否合理將直接影響著系泊設備性能選擇的高低，由于外載荷（風、浪、水流等）的種種原因，則要求系泊和錨泊設備具有足夠的安全性，系泊和錨泊安全性能又將直接引領著整條船舶的安全性能，由船舶舾裝數引起的船舶安全性能歷來受到造船界的極大關注。

處于錨/系泊狀態(tài)的船舶，由于受到隨機性的外載荷影響，使得船舶同樣處于不同的運動形式之間，各種運動形式的相互耦合形成了含有參數激勵的非線性動力系統(tǒng)，這些復雜多變因素致使人們對錨/系泊參數選用依據的舾裝數的研究進展十分緩慢。到目前為止，對舾裝數的計算，各國規(guī)范均有各自明確的定義，致使計算結果種種不一。本文作者將以實船為例，圍繞舾裝數中的規(guī)范船長的選取細節(jié)展開綜合分析，提供選取依據，從而計算船舶舾裝數，進而確定各系泊設備參數。

1 船舶舾裝數的相關參數

1.1 各參數的定義

雖然船級社的規(guī)范都有相關計算公式，但長期以來各規(guī)范對舾裝數計算的許多細節(jié)卻沒有明確規(guī)定，導致計算方法存在差異。下面主要詳細介紹各個參數的確定原則。根據散貨船共同結構規(guī)范要求，舾裝數計算公式[1]為：

式中，Δ為船舶結構吃水的船舶型排水量，t；B為船寬，在船舶的最寬處，由一舷的肋骨外緣量至另一舷的肋骨外緣之間的水平距離，m；h為結構吃水至最高層甲板室頂部的有效高度，m；A為規(guī)范船長范圍內，結構吃水以上的船體部分和上層建筑以各層寬度大于B/4的甲板室的側投影面積之和，m2。其中，在計算 h時不考慮舷弧和縱傾，h按下式得出：

其中，a為船中干舷，從結構吃水至上層甲板，m；hn為寬度大于B/4的n層上層建筑或甲板室中線處高度，寬度大于B/4的甲板室如在寬度為B/4或以下的甲板室之上，應計入上面的甲板室而忽略下面的甲板室，應特別注意的是最低層甲板室的 h應在該甲板室中心線處上甲板量起，或如上甲板有局部不連續(xù)時，則自假想的甲板線量起，m。

2 船舶舾裝數的計算

各參數數字處理：尺度，如長度、高度、寬度等，四舍五入至小數點后二位數。型排水量Δ取整數。本文以金海重工設計研究院設計的81500t散貨船為基礎，結合散貨船共同規(guī)范（CSR），對系泊設備各參數的確定過程進行詳細分析。

2.1 船舶的主要參數

總長 229.00m，結構吃水線長 229.00m，垂線間長225.50m，型深20.05m，型寬32.26m，結構吃水14.45m，設計吃水12.20m，載重量81500t，具體如圖1所示。

圖1 81500噸散貨船總布置圖

2.2 規(guī)范船長的選取及側投影面積的計算

根據《鋼質海船入級規(guī)范》定義，規(guī)范船長L：沿設計結構吃水，由首柱前緣量至舵柱后緣的長度；對無舵柱的船舶，由首柱前緣量至舵桿中心線的長度，但均不得小于結構吃水總長的96%，而不必大于97%；對于箱形船體，為沿結構吃水自船首端壁前緣量至船尾端壁后緣的長度m。

對規(guī)范船長L的選取一直以來沒有明確的規(guī)定，規(guī)范船長的直接影響著側投影面積的大小，進而直接影響著船舶舾裝數的大小。在國內各船廠及設計院針對規(guī)范船長的選取均有各自選取法則。量取方式也各有不同。

為了保證系泊設備的安全可靠，在本文中，規(guī)范船長L選取結構吃水總長的97%（最大值），即L=229000mm×97%=222130mm，且量取方法以得出最大的側投影面積為準。

量取法一：以規(guī)范船長L為線段，其中點與船舯位置對齊，沿結構吃水線向船艏、艉方向量取L=222130mm，并計算得出側投影面積（陰影部分）A1=1320.908m2，如圖2所示。

量取法二：以艏垂線（艏柱前緣）與結構吃水線相交處為起點，沿結構吃水線向船艉方向量取L=222130mm，并計算得出側投影面積（陰影部分）A1=1326.408m2，如圖3所示。

圖3 船體結構吃水以上側投影面積

量取法三：以結構吃水線與船艏相交處為起點，向船艉方向量取L=222130mm，并計算得出側投影面積（陰影部分）A1=1330.798m2，如圖4所示。

圖4 船體結構吃水以上側投影面積

通過以上三種量取方法分析對比，量取方法三所得的側投影面積最大，即：從結構吃水線與船艏相交處為起點沿結構吃水線向船艉方向量取結構吃水線總長的97%，這樣所得的側投影面積最大，從而所計算的舾裝數也最大，進而所選用的系泊設備更加地安全牢靠。

2.3 型排水量確定

型排水量是用來表示船舶尺度大小的重要指標。結構吃水的型排水量就是結構吃水時的型排水量。由于靜水力曲線表能表示船舶正浮狀態(tài)時的浮性要素、初穩(wěn)性要素和船型系數等，因此，通過查靜水力曲線表可知該船結構吃水時的排水量為95047t。

2.4 確定有效高度

由規(guī)格書可知，各層甲板高度如下：上甲板到A甲板高度h1為3.2m；A甲板到B甲板的高度h2為2.8m；B甲板到C甲板的高度h3為2.8m；C甲板到D甲板的高度h4為2.8m；D甲板到駕駛甲板的高度h5為2.8m；駕駛甲板到羅經甲板的高度h6為2.8m。

圖5 橫剖面圖

由圖5可知：上層建筑各層甲板室的寬度均超過了B/4，因此：hn=h1+h2+h3+h4+h5+h6=17.20m；船中干舷a=D-T=20.05m-14.45m=5.60m。其中，D為型深，在船長中點處，沿船舷由平板龍骨上緣量至上層連續(xù)甲板橫梁上緣的垂直距離，需要注意的是對甲板轉角為圓弧形的船舶，則由平板龍骨上緣量至橫梁上緣延伸線與肋骨外緣延伸線的交點，m；T為結構吃水，在船長中點處，由平板龍骨上緣量至結構吃水的垂直距離，m[2]。

因此可以確定：

2.5 確定側投影面積

側投影面積A為規(guī)范船長L范圍內，上層建筑以及各層寬度大于B/4的甲板室的側投影面積A2以及結構吃水以上的船體部分側投影面積A1之和。規(guī)范船長為：L=0.97LWL=0.97×229.00m=222.130m。由圖4和圖6可知：A1=1330.798m2，A2=236.60m2。因此：A=A1+A2=1567.398m2≈1567.40m2

2.6 舾裝數的計算

圖6 上建側投影面積

根據上述求得的各項數據，可得知該船舾裝數如下：

3 船舶錨泊、系泊參數確定

3.1 確定錨重及錨重

根據已取得的舾裝數，查表1[3]可知：該船舾裝數3600

表1 舾裝數表

根據《GB/T 549-1996 電焊錨鏈》，直徑81mm的三級電焊有檔錨鏈的最小破斷負荷PMBL=4820kN。

3.2 確定拖索及系泊索

根據已取得的舾裝數，查表2[4]及表3[5]可知：拖索鋼絲繩最小長度300m，破斷負荷BL=1471kN。

據此，規(guī)格書配備1根拖索鋼絲繩，長度300m，抗拉強度不小于1770N/mm2，6股與1纖維芯。

因表2所查出的破斷負荷是天然纖維索的破斷負荷。由于規(guī)格書要求的系泊索為聚丙烯索，屬于合成纖維索。根據鋼質海船入級規(guī)范要求，合成纖維索破斷負荷BLS和天然纖維索破斷負荷BLN的等效公式[5]為：

式中，δ為合成纖維索破斷時的伸長率，應假定不小于30%。

因此，系船索破斷負荷 BLS≥7.4×30%×(612)8/9=665.98(kN)≈666(kN)。

根據纜繩數值表[6]，可以確定系泊索應選直徑72mm的八股聚丙烯索。

據此，規(guī)格書配備10根，每根長220m，直徑為72mm的，破斷負荷大于666kN的八股聚丙烯索。

表2 拖索和系船索

表3 鋼絲繩構成

4 船舶錨機參數確定

4.1 錨機持續(xù)工作拉力的計算

根據規(guī)范要求，錨機應能至少提供30min的持續(xù)拉力。由于本船選擇的錨鏈材料等級為3級（極高強度鋼），根據表 4[7]可知：錨機持續(xù)拉力Pc=0.0475d2=0.0475×812=312(kN)。

表4 錨機持續(xù)拉力

4.2 臨時超載能力

根據規(guī)范要求，錨機原動機在起錨時應有必要的臨時超載能力。臨時超載能力應不小于持續(xù)工作拉力Pc的1.5倍，并持續(xù)至少2min。在此超載期間的速度可低于 9m/min。因此，錨機臨時超載能力PL=1.5×Pc=1.5×312=468(kN)。

4.3 起升速度

在起升錨和錨鏈時，錨鏈起升平均速度，應不低于9m/min。該速度在全程按2節(jié)錨鏈測量。試驗開始時，3節(jié)錨鏈（82.5m）應完全浸沒在水中。

4.4 掣鏈器

掣鏈器應能承受錨鏈破斷負荷80%的拉力。因此，該船所選掣鏈器的負荷Fc=0.8×PMBL=3856(kN)。

4.5 錨機剎車力

錨機剎車裝置應能在拋錨時，足以使錨和錨鏈安全地停住。錨機與掣鏈器同時使用時，錨機剎車剎緊后應能承受的靜拉力為所通過錨鏈的最小破斷負荷的45%，受力部件或剎車片應無永久變形。因此，錨機剎車力FW=0.45PMBL=2169(kN)。

5 船舶系泊絞車參數確定

5.1 最小額定拉力

系泊絞車最小額定拉力應不小于系泊索破斷負荷的22%，不大于系泊索破斷負荷的33%。因此，本 船 系 泊 絞 車 拉 力 0.22BLS≤P≤0.33BLS， 即147kN≤P≤220kN。查看 OCIMF規(guī)范[8]，本船系泊絞車拉力確定為160kN（16.32t）。

5.2 起升速度

由于系泊絞車拉力確定為160kN，根據OCIMF規(guī)范，最小額定速度應為15m/min。無負載時，系泊絞車的起升速度應不小于45m/min。

5.3 剎車力

系泊絞車剎車力應為系泊索破斷負荷的 80%，故該船系泊絞車的剎車力為：0.8BLS=0.8×666=533(kN)。

6 船舶系泊設備選型

根據以上計算結果，可以很容易地確定錨機和系泊絞車的相關參數如表5所示。

表5 錨機和系泊絞車相關參數

7 結束語

本文針對船舶舾裝數中的規(guī)范船長選取法則及量取方案進行了深入探討，并提供了筆者在船舶設計過程中的選取方案。通過實例，詳細地闡述了與散貨船系泊設備相關的各個參數的選取依據和選取方法，詳細地分析了各個參數計算過程中的重點和難點，使設計人員可以較快地掌握計算要領，準確確定系泊設備的各個參數。

系泊及錨泊設備是船舶舾裝專業(yè)的重點設備，能夠很好地掌握船舶舾裝數的計算方法，準確地確定系泊設備參數，對提高設計人員的設計水平有著重要的意義。

[1] 中國船級社. 鋼質海船入級規(guī)范[S]. 第7分冊. 北京:人民交通出版社, 2006: 10-313.

[2] 王滇慶. 船舶舾裝數計算指南[J]. 船舶, 1997(2):29-33.

[3] 中國船級社. 鋼質海船入級規(guī)范: 第7分冊[S]. 北京:人民交通出版社, 2006: 10-311, 312.

[4] 中國船級社. 鋼質海船入級規(guī)范: 第7分冊[S]. 北京:人民交通出版社, 2006: 10-317.

[5] 中國船級社. 鋼質海船入級規(guī)范: 第7分冊[S]. 北京:人民交通出版社, 2006: 10-318.

[6] OCIMF. Mooring equipment guidelines[M]. 3rdedition.2008: 120.

[7] 中國船級社. 鋼質海船入級規(guī)范: 第7分冊[S]. 北京:人民交通出版社, 2006: 10-319.

[8] OCIMF. Mooring equipment guidelines[M]. 3rdedition.2008:155.