武漢—舟山江海直達汽車滾裝船型論證研究

駱行有 王麗錚 張 偉

(武漢理工大學交通學院1) 武漢 430063) (武漢規范研究所2) 武漢 430000)

武漢—舟山江海直達汽車滾裝船型論證研究

駱行有1)王麗錚1)張 偉2)

(武漢理工大學交通學院1)武漢 430063) (武漢規范研究所2)武漢 430000)

為解決車輛損壞、船舶安全、轉運周期長、成本高、運輸效率低和港口擁擠等問題，提出了江海直達船型論證方法.從市場需求出發，分析了對直達通航環境，結合滾裝船船型和布置特點，對船型進行波浪中運動數值模擬分析，研究船型在不規則波下的運動響應和甲板上浪淹濕問題，確定滾裝船船型尺度與運動響應和上浪情況的關系.將模擬計算結果引入船型論證，提出船型的耐波性評價指標和經濟性評價指標，論證得到了滿足市場要求和通航環境要求的優秀船型.

江海直達；汽車滾裝船；數值模擬；耐波性；甲板上浪；船型論證

0 引 言

當前長江經濟帶汽車滾裝運輸大多采用水路三程運輸的方式，需要在寧波—舟山地區海船轉海船、上海—洋山地區進行海船轉江船或江船轉海船轉運，存在車輛損壞、船舶安全、轉運周期長、成本高、運輸效率低和港口擁擠等問題，制約了汽車滾裝運輸的發展，采用江海直達滾裝運輸的方式能很好的避免這些問題[1-2].

現有江海直達船大多按海船設計，對結構要求過嚴從而導致空船重量過大，不僅使船舶造價增加，而且在營運過程中增加了船舶的燃油消耗和污染排放，造成不必要的浪費；江海直達船型吃水較小，在波浪中的運動會出現螺旋槳出水和埋首等問題，當船舶在波浪中產生垂蕩和首尾搖時，就會發生船首底部砰擊及船底的平面砰擊現象，容易出現海浪中的失速和首部抨擊等問題，為解決改善這些問題，提出江海直達船型論證方法.

1 波浪中船舶運動模型與數值模擬分析

用流體力學理論研究船舶在波浪中的搖蕩運動，需引進一些基本假定，分析船舶在波浪中搖蕩運動受到的6種力的作用，可以把船舶搖蕩運動分成3個基本耦合方程組:①縱蕩運動；②縱向運動，即船體縱軸鉛錘面內的縱搖和垂蕩耦合運動；③橫向運動，即橫搖、橫蕩和首搖的耦合運動.在船舶6個自由度模式中對應縱蕩、橫蕩、垂蕩、橫搖、縱搖和首搖的位移分別用xj，j=1，2，3，4，5，6來表示，x1，x2，x3具有長度因次，x4，x5，x6具有角度因次[3-5].根據牛頓定律，建立船舶受力平衡方程式，帶入各種力的具體表達式，可將6自由度運動方程式分成3組：

1) 縱蕩運動方程式

(1)

2) 縱向運動方程組

(2)

3) 橫向運動方程組 根據切片理論研究船舶在頂浪航行時的縱搖和垂蕩的耦合運動，取切片的平均吃水作為等效波的深度，等效波面方程為

流體作用力有，浮力F1、興波阻力F2和附加慣性力F3，于是整個船體上的垂蕩力和縱搖力矩為

(4)

(5)

根據牛頓第二定律，慣性力和外力平衡，船體垂蕩和縱搖運動方程為

(6)

由此解方程可得單位波幅垂蕩位移和縱搖角為

(7)

(8)

船體上任意位置相對于水面的位移

(9)

則引起甲板上浪的條件為

(10)

式中：f′(X)=F-fs為靜水航行時的有效干舷.

基于CFD 軟件的船舶水動力學方面的數值模擬，因為具有費用低、無觸點流場測量、無尺度比效應、可獲得較為詳細的流場信息等優點，應用范圍越來越廣，船舶CFD 的應用能提高設計質量、縮短設計周期、降低設計成本，因而得到了普遍的重視，是國際船舶界十分活躍的前沿研究課題[6-7].

2 江海直達船型論證新方法

江海直達船舶應既能在沿海和近洋航區航段安全航行與營運，也能在內河長江航段航區安全航行與營運，船舶必須能滿足在外海和內河航行的要求，即船型尺度要求、船型布置要求、型線和首尾線型的要求、船舶性能要求及裝載和系固的要求.船型論證方法見圖1.

圖1 江海直達汽車滾裝船船型綜合論證技術路線

3 基于AQWA的江海直達船舶波浪運動數值模擬

3.1 論證船型尺度和要素分析

從市場需求來看，未來長江流域汽車出口量每年達30萬輛以上，內貿車江海聯運達30萬輛以上，按江海直達滾裝運輸20%的份額，年航次數20次計算，所需的船舶運力規模約為3 000 CEU.

分析內河航段對船型的限制，主要有航道條件和維護水深、港口和碼頭限制條件、通航建筑物和橋梁限制等，可得武漢—洋山現在和可預見性未來的航運限制條件，見表1[8].

根據搜集的型船資料分析汽車滾裝船船型主尺度和主要要素的特點，滾裝船載車量與主尺度的近似關系，從車輛可行性的布置方案來看，載車量與排車的方式，即每層甲板排列的行數X、列數Y和汽車甲板層數Z關系見圖2～3和表2.

表1 武漢—洋山現在和可預見性未來的航運限制條件m

載車甲板長度：Lc=X×lc+(X-1)a+2b

載車甲板寬度：Bc=Y×bc+(Y-1)c+2b

通航凈空高：16

式中：lc為單位車位長度，取4.7 m；bc為單位車位寬度，取1.8 m；a為車位之間縱向間隙，通常最小為0.3 m，當12

由此可估算船舶尺度與車位布置方案的總載車量的關系，即

圖2 載車量與船長的近似關系回歸

圖3 載車量與船寬的近似關系回歸

C/CEUXYZ800～100017～20961000～120020～22961200～150022～24971500～180024～259～107～8

C=XYZ=(L-0.7)(B-0.8)Z/10

(11)

在當前和可見性未來航道條件下，根據市場需求和以上分析，船型可行性方案見表3.

表3 江海直達汽車滾裝船型可行性方案參數范圍

3.2 波浪環境分析與模型參數計算

上海—舟山海洋航區主要是遮蔽和沿海航區，很小部分是近海航區，舟山海區屬沿海/近海海域，波浪未經充分發展，數值模擬計算中波浪譜取為JONSWAP譜，根據目前收集的長江—舟山水域的風浪資料和實測波浪數據，選取波高3.5 m和4 m兩種海況計算，波浪特征周期的選取，主要針對系列船進行船舶耐波性運動預報，通過船舶相對波面運動嚴重情況，確定最不利的波浪特征周期，計算波浪參數見表4.

滾裝船舶模型參數計算，船舶重量與重心估算采用分項重量估算方法，分為船體、上建、舾裝、機電和貨物5項重量，即

表4 計算波浪參數

(12)

(13)

1) 船體鋼料重量與主尺度的指數關系式是實用中根據統計實船重量回歸分析得到的基本關系式，不同類型船舶回歸后指數值不同，查閱船舶設計實用手冊可得布置性船舶的值，即

(14)

式中：D1為計入舷弧和艙口圍壁容積影響的相當型深；CEH為系數，可用母型船數據計算而得；CBD為計至型深的方形系數，如有球首CEH可減少0.004.

(15)

2) 上層建筑重量重心估算 汽車滾裝船上層建筑很發達，分為前面的生活居住艙室、駕駛室等和后面的載車甲板，為了獲得最大的甲板面積來裝載車輛，也為了便于汽車的滾裝，載車甲板不設艙壁，僅在需要加強的位置設置2～3排支柱，載車甲板之間通過斜坡跳板連接，斜坡一般設置在船中，支柱一般是沿船中對稱布置，因此載車甲板近似為矩形，前段的生活居住艙室、駕駛室等，可按其具體位置單獨估算，其中首樓的重心高度可取其層高的0.8～0.85(外飄大者取大值)，對尾部的甲板室可取層高的0.7～0.82(內部鋼圍壁較多時取小值)，根據滾裝船型的特征及參照母型船的特點，汽車裝載甲板層高取2.5 m，上層建筑居住艙室的層高根據規范和舒適條件，也可取層高2.5 m，每層甲板重量由甲板面積和側面積估算鋼材體積和重量，疊加得到上層建筑重量，即

3) 舾裝重量和重心估算 舾裝重量所包括的項目十分瑣碎，船體木作及敷料的重心可取其面積的形心處，各種設備(舵、錨、系泊、救生等)重心可根據具體布置的位置來確定.一般滾裝貨船的舾裝重量和重心高度可粗略估算，采用文獻[9]中的統計估算公式計算舾裝重量，由于滾裝船型汽車裝載甲板和圍壁沒有太多舾裝設備，因此計算時CO取0.98，zgO系數取1.05，計算的穩性儲備偏于安全.

(17)

式中：CO=0.98～1.28,zgO=(1～1.05)D1.

4) 機電設備重量和重心高度估算 根據《船舶設計原理》中的統計，機電設備重量可近似的按主機功率的平方根的關系進行換算，一般運輸船舶機電設備重心高度的平均值為0.55D，即

WM=CM(PD/0.735 5)0.5

zgM=0.55D

(18)

5) 裝載汽車的重量重心估算 根據汽車配載和裝載原則，汽車一般左右對稱布置，假設的汽車重心在汽車的幾何形心位置，由第i輛車的重心位置坐標(Gxi，Gyi，Gzi)，第i輛車的幾何尺寸Li和Bi和第i輛車的總噸位Wi，可知所有汽車的重量和重心位置，計算車輛取市場上車輛平均重量1.7 t，m是總載車數，n是載車甲板層數.

(19)

船體模型慣性矩計算可根據一般船舶波浪運動分析計算時采用的估算方法，Kxx=C2B；Kyy=0.25L；Kzz=0.25L，系數C2與船舶類型有關，貨船滿載時C2取0.32～0.35，橫搖附加慣性矩：Jxx=0.25Ixx.

3.3 數值模擬計算與結果分析

基于ANSYS的AQWA平臺對計算船型分析，首先根據某1 500 CEU江海直達汽車滾裝船作為母型船進行型船型線變換得到計算船型的型線，在RHINO中進行船體型線建模，對模型預處理和網格劃分，輸入模型重量、重心等參數，加載波浪環境資料和邊界條件，設置好計算方法和控制參數，最后對計算結果進行分析，其分析流程和計算結果見圖4～8.

圖4 波浪中船舶運動數值模擬分析流程

圖5 船體模型和網格劃分

圖6 船舶波浪運動響應與船長、船寬的關系

圖7 船舶波浪運動響應與吃水的關系

圖8 甲板上浪與波浪參數及干舷高度的關系(L=120 m)

由圖4～8可知，船舶的運動與波浪周期、波幅和船舶尺度有關，船型參數(L,B,T)對各運動參數(垂蕩、縱搖和縱蕩)的運動幅值有影響，船長主要影響船舶縱搖和垂蕩，船寬主要影響穩性和橫搖，船長、吃水和干舷主要影響甲板上浪，該尺度內的滾裝船型垂蕩位移可達1.5 m，橫搖角達20°，縱搖角達2°；在最不利周期下，首柱處甲板上浪概率和每小時上浪次數隨著船長的增加都呈減小趨勢，上浪概率和次數隨著波高的增加而急劇增加，甲板上浪對波浪特征周期和波高比較敏感，對同一波高，均有最不利的波浪特征周期；波高越大，甲板上浪概率和每小時上浪次數越大，因此在進行該種船型的研究和論證中必須考慮其耐波運動和甲板上浪問題，否則論證的船型可能在海上航行時出現運動幅度過大和甲板上浪進水而導致船舶翻沉.

根據數值模擬計算得到的船舶搖蕩運動響應曲線，回歸分析得到垂蕩位移與船長的函數關系、橫搖角與船寬的函數關系、縱搖角與船長的函數關系以及甲板上浪概率與干舷的關系如下，由此進行考慮江海直達滾裝船耐波性和干舷安全的船型論證.

垂蕩位移：zα=-0.005 3×L+0.968 9 m

橫搖角：θα=(-0.310 4×B+16.35)×π/180°

縱搖角：φα=(-0.030 4×L+5.099 1)×π/180°

4 考慮江海直達船耐波性和干舷安全的船型論證

確定論證參數的范圍，船長L：120～150 m，每5 m一檔，船寬B：20～26 m，每2 m一檔，吃水T：3.7～4.6 m，每0.3 m一檔，干舷F：4～6 m，每1 m一檔，浮力與重力平衡、規范穩性和內河通航限制條件等作為約束，船體絕對運動幅值作為耐波性能評價指標，船價作為經濟性能評價指標，對共336種組合船型運用上述方法進行論證，確定較優船型.論證得到的綜合指標較優船型排序見表5.

表5 綜合指標排序前5的較優船型

耐波性能指標越低表明船舶在實際波浪航行時的垂蕩、縱搖、橫搖運動幅度越小，甲板上浪概率越低，經濟性指標越低表明船價越低，船舶更經濟，論證的優秀船型可供市場選擇和參考，論證研究的方法也可作為江海直達船型設計和研究的依據.

5 結 論

1) 汽車滾裝轉運方式存在諸多問題，江海直達船型有更強的適應性，但當前的江海直達船按照海船規范設計營運，結構重量大，不能完全發揮江海直達船的優勢，提出新的江海直達船型論證研究方法，論證中考慮船型實際耐波性能和干舷安全性能，較優干舷能保證安全的同時減輕結構重量，使論證船型適航性能和經濟性能更加優良.

2) 不同的波浪條件，船舶的運動響應也不同，船長主要影響縱搖、垂蕩和縱蕩運動，且適當增加船長會改善縱向運動，但會影響經濟性，船寬則主要影響穩性和橫搖，增加船寬利于穩性和橫搖，但影響快速性，根據實際航行條件論證新的船型，選取合適的船型參數十分有必要，滾裝船因其運輸方式的特殊性，具有特殊的型線和布置特點，論證得到的綜合性能優良的船型可供市場選擇，提出的江海直達滾裝船論證新方法也可借鑒到其他江海直達船型論證研究中.

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Research of Sea-river-through Pure Car Truck Carrier from Wuhan to Zhoushan

LUO Xingyou1)WANG Lizheng1)ZHANG Wei2)

(SchoolofTransportation,WuhanUniversityofTechnology,Wuhan430063,China)1)(WuhanInstituteofSpecification,Wuhan430000,China)2)

A new method of sea-river-through ship demonstration is put forward to solve the problems such as vehicle damage and ship security, long logistics cycle and high cost, low efficiency and port congestion. It starts with market demand and navigation environment analysis combined with the characteristics of Ro-Ro ship and arrangement. A proceed research of numerical simulation of wave-ship interaction dynamics is based on potential flow theory so that we could research the relationship between ship motion and its scale, and the relationship between green water and freeboard. The simulation results are introduced into ship demonstration and the ship which meets the requirement of market and navigation environment is finally determined.

sea-river-through; PCTC; numerical simulation; seakeeping; deck wetness; ship demonstration

2017-01-24

U662

10.3963/j.issn.2095-3844.2017.02.025

駱行有(1990—)：男，碩士生，主要研究領域為船舶數字化設計論證和新船型開發