江海直達散貨船波浪載荷直接計算

王　偉， 張吉萍， 李國強

(浙江海洋學院 船舶與海洋工程學院， 浙江 舟山 316000)

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江海直達散貨船波浪載荷直接計算

王偉， 張吉萍， 李國強

(浙江海洋學院 船舶與海洋工程學院， 浙江 舟山 316000)

摘要采用SESAM軟件系統，根據中國沿海波浪散布圖，對江海直達散貨船的波浪載荷進行短期預報和長期預報，對波浪誘導載荷響應及主要載荷參數的長期預報值進行分析，波浪載荷長期預報極值與海船規范計算值比較表明，規范計算公式無法對其波浪載荷作出合理評估，對于此類船型的波浪載荷應用直接計算法計算。

關鍵詞江海直達船波浪載荷SESAM軟件短期預報長期預報

Short-term predictionLong-term prediction

0引言

江海直達是指用同一條船經過江河和海洋水域將貨物從起始港直接運抵目的港而不需使用中轉船的一種運輸方式。江海直達船能夠直接由江入海或由海入江，減少了貨物運輸的中轉環節，具有效率高、周期短、貨損少等優點，具有良好的經濟效益，是進行江、海聯運的一種理想的水上運輸工具[1]。近年來，隨著造船業與航運業的迅速發展，長江航道條件的不斷改善，改革開放的不斷深入，長江流域及西部經濟的不斷發展，國際貿易和運輸業的迅速發展，我國江海直達船舶得到了快速發展。

江海直達船由于受到航道和港口泊位吃水的限制，它只能是一種不同于傳統江船和海船的淺吃水肥大型船[2，3]。只有這種船型才能解決長江航道水深限制和船舶載貨量盡可能大的矛盾。然而淺吃水、大型寬的特點對船舶在海上的適航性相當不利，同時寬而扁的船體對結構的強度和剛度都有很大影響[4]。

江海直達船作為一種特殊船型，不同于常規的江船和海船，其航行過程要跨越江、海兩級航區，必須能經受江、海兩個不同氣象水文條件對船舶結構安全性的考驗。江海直達船在江河和海上航行時，遭受不同的波浪載荷，波浪周期和波高明顯不同，其規律也不一樣。在計算其設計載荷時，直接采用現有的內河船規范或海船規范中的經驗公式是不合適的[5]。雖然，2008年CCS頒布了《特定航線江海通航船舶檢驗指南》[6](以下簡稱《指南》)(2008)，為江海直達船舶的設計提供了依據。但《指南》對江海直達船舶的航線有特定限制，對船舶尺度參數也有限定，且結構強度計算部分基本上都是參照《海規》進行計算的，其合理性還有待進一步研究。

波浪載荷是評估船舶結構安全性的關鍵載荷。本文采用大型水動力計算軟件SESAM對一艘典型的江海直達散貨船進行波浪載荷直接計算分析，為江海直達船的結構強度校核提供載荷參考。

1計算模型

1.1三維水動力計算模型

采用SESAM軟件系統中的Patran pre模塊將江海直達散貨船的船殼外表面定義為濕表面，然后將其導入到HydroD模塊中，波浪分析子模塊Wadam會自動確認為面元模型(panel model)，將靜水壓力和波浪動壓力映射到模型單元上。

進行波浪載荷的預報，不僅需要船體的外部幾何形狀特征，還需要船體的質量及其分布信息，只有建立了全船的質量模型，才能夠計算船體的重力載荷和重力產生的力矩。沿船長將模型劃分為若干段，根據實際船舶的重量分布資料，分別對各個分段定義不同的材料密度，保證質量模型的質量分布、質量總值、重心位置與實船相一致。貨物、壓載水等裝載質量采用質量點單元模擬，根據其在船體中的位置施加在相關的節點上。整船模型質量與船舶靜水浮態相匹配。

濕表面模型和質量模型構成了HydroD中的水動力計算模型，通過調整浮態使水動力計算模型的排水量和艏艉吃水與實船裝載狀態一致。水動力模型如圖1所示。

圖1　HydroD中水動力計算模型

1.2計算條件和參數選擇

沿船長方向從艉垂線到艏垂線每間隔8 m取一個計算截面，共25個計算截面。

為了研究船體在不同浪向角波浪作用下的波浪誘導載荷規律，選取了0°～180°，間隔為15°，共13個浪向角。浪向角的方向定義為：沿船長方向從船艉指向船艏為0°，從船艏指向船艉為180°，從右舷指向左舷為90°。認為這13個浪向等概率作用在船體上。

參考規范要求，為了研究各種有意義的波長(頻率)對船體的作用，波浪的頻率范圍按波長與船長比范圍的0.2～3選取，步長取0.1，共29個。

該江海直達散貨船航線海段處于近海海域, 波浪未充分發展，所以波浪譜取為JONSWAP譜。

2波浪載荷短期預報

參考ABS的DLA以及DNV的CSA-2要求，選取L/4剖面(SEC107)和3L/4剖面(SEC119)處的扭矩、L/2舯剖面(SEC113)處的垂向彎矩作為參考響應變量[7～9]。圖2～圖7分別給出了這三個剖面上在壓載狀態和均質滿載狀態下的傳遞函數。

根據求出的傳遞函數，可以得到，在壓載狀態和滿載狀態下，與主要載荷響應相對應的對船體最不利的波浪和傳遞函數峰值如表1和表2所示。根據它們可以用來確定結構強度計算用的設計波參數。

從表1和表2可以發現：對船體最不利的浪向為75°、90°、180°，最不利的波浪的波長與船長相近。滿載狀態下最不利波浪的頻率小于壓載狀態下最不利波浪的頻率。

圖2　L/4截面扭矩(壓載)　　　　　　　　　　　　　　　　　　　圖3　L/2截面垂向彎矩(壓載)

圖4　3L/4截面扭矩(壓載)　　　　　　　　　　　　　　　　　　　圖5　L/4截面扭矩(滿載)

圖6　L/2截面垂向彎矩(滿載)　　　　　　　　　　　　　　　　　　　圖7　3L/4截面扭矩(滿載)

表1　壓載狀態下對船體最不利的波浪及傳遞函數最大幅值

表2　均質滿載狀態下對船體最不利的波浪及傳遞函數最大幅值

3波浪載荷長期預報

在波浪誘導載荷長期預報中，需要根據船舶的實際航區選擇合適的波浪統計資料作為計算的參考海況，每個海況用跨零周期Tz和有義波高Hs表示。江海直達散貨船的航行區域為近海及長江內河航道，海上的海況較內河要惡劣得多，因此長期預報的計算海況采用中國沿海海浪長期統計分布資料[10]，以得到相對安全的計算結果。

表3為中國沿海海域波浪散布圖，表中的每個數值代表了在997次統計中某個海況出現的次數。

表4和表5分別給出了壓載狀態和均質滿載狀態下L/4、L/2和3L/4這三個重要截面上主要載荷控制參數的重現期為10年、20年、25年、50年、100年的預報極值和超越概率水平10-8下的預報極值。

對表4和表5進行分析可以發現：

表3　中國沿海海浪長期分布資料

表4　壓載狀態下主要載荷參數長期預報值

表5　滿載狀態下主要載荷參數長期預報值

計算得到的超越概率10-8下的主要載荷控制參數的預報極值大于重現期20年的預報極值，甚至大于重現期25年的預報極值；對于在同一重現期和超越概率下載荷參數的預報極值，滿載狀態都大于壓載狀態；在所有載荷控制參數預報極值中船舯剖面處的垂向波浪彎矩預報極值是最大的；距船艉1/4截面處扭矩預報極值大于距船艏1/4截面處扭矩預報極值，兩者的比值約為1.6。

圖8～圖11分別給出了在壓載狀態下和滿載狀態下的各主要載荷控制參數在超越概率10-8下的長期預報極值在不同浪向角上的分布。

圖8　截面L/2垂向彎矩長期預報值　　在不同浪向的分布(壓載)　　　　　　　　　　　圖9　截面L/4和3L/4扭矩長期預報值　　在不同浪向的分布(壓載)

圖10　截面L/2垂向彎矩長期預報值　　在不同浪向的分布(滿載)　　　　　　　　　圖11　截面L/4和3L/4扭矩長期預報值　　在不同浪向的分布(滿載)

從圖中可以得到：船舯剖面垂向波浪彎矩預報極值出現在浪向角為0°和180°時，即船舶在迎浪和順浪航行時，并隨浪向趨近橫浪時逐漸減小；壓載狀態下距船艉1/4截面和距船艏1/4截面處扭矩的長期預報值在不同浪向上的分布呈現單峰形式，在浪向角為90°附近出現極大值，說明本船在壓載狀態下橫浪航行時扭轉問題最嚴重；滿載狀態下距船艉1/4截面和距船艏1/4截面處扭矩的長期預報值在不同浪向上的分布呈現雙峰形式，在浪向角為60°和130°附近出現極大值，說明本船在滿載狀態下斜浪航行時，扭轉問題最為嚴重。

4波浪載荷直接計算與規范計算的比較

直接計算的波浪彎矩和剪力的分布如圖12和圖13所示。船體垂向波浪彎矩值在船舯剖面SEC113最大，剪力最大值出現在剖面SEC105和剖面SEC119，這與規范計算的波浪載荷最大值所在的剖面位置基本一致。

圖12　船體剖面垂向波浪彎矩分布　　　　　　　　　　　　　　　圖13　船體剖面剪力分布

對于船體剖面垂向波浪彎矩，CCS《鋼質海船入級規范》[11](2012)給出了計算公式。

中拱波浪彎矩：

Mw(+)=+190MCL2BCb×10-3

中垂波浪彎矩：

(1)

式中：M為彎矩分布系數，船舯M=1；L為船長，m；B為船寬，m；Cb為方形系數；系數C為9.6276。波浪彎矩的計算還需考慮航區系數fr，取frMw。

對于船體剖面剪力，CCS《鋼質海船入級規范》(2012)給出計算公式。

中拱波浪切力：

Fw(+)=+30F1CLB(Cb+0.7)×10-2

中垂波浪切力：

(2)

式中：F1、F2為切力分布系數。剖面SEC105切力分布系數F2為0.92，系數C為9.6276；剖面SEC119切力分布系數F2為0.9483，系數C為9.6276。

由于在同一重現期和同一超越概率下的載荷參數預報極值，滿載狀態都大于壓載狀態，因此只比較滿載狀態下的直接計算值。目標船型尺度比在海船規范要求范圍內，將按規范公式計算的波浪彎矩和剪力值與直接計算值進行比較，見表6、表7。

表6　直接計算彎矩值與規范計算值的比較

[下轉第42頁]

Direct Calculation of Wave Loads for River-to-sea Bulk Carriers

WANG Wei, ZHANG Ji-ping, LI Guo-qiang

(Zhejiang Ocean University, Naval Architecture and Ocean Engineering,

Zhoushan Zhejiang 316000, China)

AbstractAccording to wave scatter diagram of chinese coastal area, short-term prediction and long-term prediction of wave loads for a river-to-sea bulk carrier are performed by SESAM software. Wave-induced loads response and long-term prediction values of main loads parameters are analysed, which are compared with the calculated values of rules. The comparation shows that the simplified formula of rules can not assess reasonably their wave loads and the direct calculation method has to be adopted to predict detailed wave loadings and distributions for this type of ships.

KeywordsRiver-to-sea bulk carriersWave loadsSESAM software

中圖分類號U661

文獻標志碼A

作者簡介：王偉(1981-)，男，副教授。

基金項目：國家國際科技合作專項項目(編號：2012DFR80170)；浙江省自然科學基金(LQ13E090002)資助。