5 000 t自航甲板駁船波浪載荷與總縱強度研究

陳華杰（1.上海交通大學 上海200240； 2.中國船舶及海洋工程設計研究院 上海200011）

5 000 t自航甲板駁船波浪載荷與總縱強度研究

陳華杰1，2
（1.上海交通大學 上海200240； 2.中國船舶及海洋工程設計研究院 上海200011）

針對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構強度問題。根據船舶作業海域的海況條件，通過對波浪誘導載荷響應函數的計算，得出并預報船體所承受的波浪載荷。確定結構強度計算工況，分析甲板駁船結構強度問題。

甲板駁；波浪載荷；結構強度；直接計算

引　言

隨著航運事業的蓬勃發展，海上運輸船舶的開發和研究越來越受到業界關注。運輸駁船以其運動靈活、裝卸方便的特點，廣泛活躍于港口碼頭之間。在我國，自航甲板駁船主要用于沿海各港口間的貨物運輸，運輸貨物以礦砂、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范船舶，有較寬闊的甲板，其長寬比小于5且寬深比大于2.5。目前自航甲板駁船的設計工作主要基于規范設計。甲板駁船的船體結構相對簡單，施工方便且造價及維修費用低，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生移動或坍塌，情況嚴重時甚至會造成船體傾覆事故，對人員和財產的安全構成威脅。

相對于其他傳統船型來說，甲板區域載貨及船型相對寬大扁平的船型特點決定了該船型的設計重點及難點有別于其他船型。需要重點關注該類船舶橫剖面的設計形式以保證足夠的橫向總強度和總強度要求，以及因甲板載貨而導致船舶重心偏高的問題。在計算過程中也要充分考慮甲板載荷對結構強度的影響，另外，對于甲板載貨區域支墩的布置及連接形式也需要特殊考慮。

1　船型簡介

本文研究對象為某載重能力不少于5 000 t的自航甲板駁船（以下簡稱“駁船”），該駁船主要用于在船塢塢口、碼頭和港口之間運送大型鋼質結構物，采用岸吊或大型浮吊直接吊裝和卸運貨物，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為：

總長 105.0 m

型寬 40.0 m

型深 7.0 m

設計吃水 3.2 m

航速 8.5 kn

主機 2×2 206 kW

肋距 2.5 m

載重量 5 000 t

2　波浪載荷預報

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。根據規范規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）預報波浪載荷。波浪載荷預報選取對應的4種典型裝載工況進行計算，見下頁表1。

波浪誘導載荷計算選取的頻率應盡量涵蓋波浪散布圖中高海情的中跨零周期范圍。根據裝載手冊要求，本船波浪載荷計算選取北大西洋波散布圖進行計算。三維水動力模型如圖2所示。

表1　裝載工況

圖2　三維水動力模型

在波浪剪力和彎矩傳遞函數計算中，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°。長期預報按各浪向均勻概率出現。定義沿船長方向指向船首時，浪向角為0°；指向船尾時，浪向角為180°。

船體重心處運動響應的傳遞函數通過求解規則波中的船體運動方程獲得。在此基礎上，可以按照達朗伯原理進一步計算船體剖面載荷響應的傳遞函數。通過計算各工況下的運動響應可知，縱搖運動的幅值頻率為0.65～0.85 rad/s、浪向角為0°和180°左右時，響應最大。橫搖運動的幅值頻率為0.7～0.9 rad/s、浪向角約為90°時，響應最大。

本文計算了該船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，重點關注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如圖3 和圖4所示。

圖3　FR8處垂向剪力傳遞函數（LC1工況）

圖4　FR20處垂向彎矩傳遞函數（LC1工況）

獲得船體剖面載荷響應的傳遞函數HY（ω）后，便可結合長期海況的海浪譜Sw（ω），按照式（1）計算其響應譜SY（ω）：

大量實踐表明，船體運動與波浪載荷幅值的短期響應服從Rayleigh分布。該分布只有方差σ2一個參數，可按式（2）由響應譜直接得到：

這樣，可獲得船體剖面載荷響應短期預報的各種統計值，包括均值、有義值等。

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

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期極值。圖5、圖6為相應的剖面載荷沿船長分布曲線。

圖6　各工況下垂向波浪彎矩分布

3　結構強度有限元分析

有限元結構強度分析能夠有效驗證設計成果是否合理，并對設計水平作出最直觀的評價。目前應用于有限元分析的方法主要為直接計算法，即建立艙段或全船的有限元模型，建立相應工況進行加載，對結構的屈服屈曲情況進行合理評估。

本船型較為特殊，只進行規范計算是遠遠不夠的，需建立全船有限元模型進行加載計算，但全船有限元計算勞動量大、周期長且本船載荷強度同比之下并不算很大，所以，建立本船艙段有限元模型進行加載計算。

根據裝載手冊和水動力計算結果，船體梁最大彎矩在壓載到港時最大（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，校核總縱強度時，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。按可能發生的最危險裝載情況，進行強度校核。每種工況由甲板載荷、壓載艙內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壓力兩部分組成。

為考慮橫浪作用沿船長局部范圍內產生的效果，在計算工況中分別采用施加于兩舷的對稱以及不對稱舷外水壓力來模擬。對稱工況中（LCA），假定兩舷都受到由外向內作用的波浪動壓力；不對稱工況中（LCB），可假定一舷側受到靜水壓力和波浪壓力的疊加作用，另一舷側受靜水壓力與反向波浪動壓的作用（但計算值小于0時，取0計入）。舷外水壓力載荷作用分布情況見圖7。

鑒于甲板駁船的船型特點是甲板載荷大，因此在計算的同時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

依據規范對艙段有限元模型施加載荷并進行計算，再對本船主要構件屈服強度進行校核。橫向構件和縱向構件的具體校核結果分別見表2和表3，各工況下典型橫向構件應力云圖見下頁圖8 — 圖11，各工況下典型縱向構件應力云圖見圖12 — 圖13。

圖7　典型橫剖面結構圖

表3　縱向構件屈服強度的校核結果　MPa　

圖8　典型橫剖面結構圖（強框架）

圖9　非對稱載荷作用分布示意圖

圖10　甲板橫梁和船底肋板VON MISES應力云圖（LCA）

圖11　甲板橫梁和船底肋板VON MISES應力云圖（LCB）

圖12　甲板板和甲板縱桁VON MISES應力云圖（LCA）

圖13　甲板板和甲板縱桁VON MISES應力云圖（LCB）

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

從校核結果可以看出，本船的有限元計算結果遠小于許用值，結構符合規范安全標準，且LCB工況的計算結果普遍高于LCA工況。可見，對于長寬比較小且寬深比較大的船舶，橫浪工況將成為主控工況，因此需重點關注該類船舶的橫向強度。

由應力云圖可知，高應力區域集中在甲板及船底構件的舷側，以及船中縱向構件靠近甲板和船底區域，這與甲板駁甲板面比較寬大且形狀扁長有關。各縱向構件應力值也均遠小于許用值，結構強度符合規范要求。

由兩種工況計算結果的對比可以看出，橫浪工況計算值普遍偏高。結合上述對橫向構件的分析結果可以得出，該類船舶對橫向載荷較敏感，計算時必須予以考慮以確保結構安全。

由計算結果可以看出，對于甲板駁這類甲板面寬大且船型扁平的船來說，除同其他船型一樣需考慮到船中和艙壁處的加強外，還應考慮到甲板、底板等縱向構件與舷側連接處的加強問題。良好的橫剖面設計是該類船舶良好結構強度的基礎。

通過對三艙段有限元模型計算結果的觀察，發現在甲板載貨處部分區域存在應力集中的情況，這些區域主要集中在承載貨物的支墩處。可見，對于此類甲板載貨類船舶，支墩應盡量布置在橫縱艙壁交匯處，以保證支墩下加強的結構強度。若由于特殊原因無法做到上述布置時，則應對支墩下加強進行特殊考慮。對于其他同類型船舶，若粗網格模型無法滿足計算校核要求時，建議采取細網格模型進行計算，并適當考慮對連接形式的特別設計。

圖14為甲板駁船計算設計流程圖。

圖14　甲板駁船計算設計流程

5　結　論

本文闡述了5 000 t自航甲板駁結構設計中的核心技術，并對該類特殊尺度船型的波浪載荷進行預報；論述了全船總縱強度計算，并分析自航甲板駁結構設計中的技術要點，以供相關船型參考。

［1］ 王沈霞. 1 000噸甲板駁改造為1 500噸甲板駁研究［J］. 武漢交通職業學院學報，2011（1）：75-77.

［2］ 謝永和，李剛強，張恒. 系列甲板運輸船波浪載荷比對性研究［C］//第四屆全國船舶與海洋工程學術會議論文集. 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甲板機動貨駁總縱強度分析［J］. 江蘇船舶，2006（4）：7-8.

［5］ 劉紅平. 5萬噸級半潛船開發與設計［D］. 上海：上海交通大學學會論文，2013.

［6］ 何廣韜，王愛軍. 20 000 t半潛船船體建造及檢驗特點［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：船舶結構設計。