1 500噸起重船波浪載荷直接計算

祝文倩 石科良

摘 要：由于1500噸起重船的長寬比小于《鋼質海船入級規范》中L/B>5及B/D≤2.5的要求值，需采用直接計算方法確定其波浪彎矩和波浪剪力。本文以1500噸起重船項目為例，簡要介紹了利用三維水動力軟件HydroSTAR 計算波浪載荷的方法。

關鍵詞：波浪彎矩；波浪剪力

Direct calculation of wave load for 1500t crane vessel

ZHU Wenqian， SHI Keliang

（ Guangzhou Marine Engineering Corporation， Guangzhou 510250 ）

Abstract： As the ratio of length to breadth of 1500t crane ship is smaller than the required value according to Rules for Classification of Sea-Going Steel Ships， the wave bending moment and wave shear force of the ship should be analyze by direct calculation method. This paper simply introduces the direct calculation method of the wave load by using the hydrodynamic software HydroSTAR.

Key words： Wave bending moment； Wave shear force

1 前言

隨著海洋石油開發、大型沿海工程及港口建設的發展，起重船作為不可缺少的工程船舶，近幾十年來有了非常快速的發展，起吊載荷不斷增加。目前起重船的市場已發展到近海，主要用于海上吊裝、拆卸（平臺、大件、結構物等）、鋪設海底油氣管、大型水上工程吊裝等。本文介紹起重船在起吊工況及調遷工況下波浪載荷的直接計算方法，計算結果通過CCS審查，對非常規船舶的波浪載荷計算具有一定的參考價值。

2 船舶概況

本船為自航式大型起重船，主鉤起吊能力為2x750 t，副鉤起吊能力為2x300 t，在近海航區調遣航行，沿海航區起吊作業，起吊作業海況不超過4級風、1.5米最大波高。

總長 89.6 m

垂線間長 87.8 m

型寬 36.0 m

型深 7.0 m

起重工況（起吊1500 t，75度）吃水 3.82 m

調遷工況（吊臂角度60度）吃水 2.60 m

3 計算方法與計算工況

3.1 計算方法

因本船主尺度不滿足《海規》中L/B>5及B/D≤2.5的要求，其總縱強度計算中的波浪彎矩和波浪剪力均不能應用規范公式進行計算，需采用直接計算的方法。

本項目采用HydroSTAR水動力軟件對起重船波浪載荷進行預報分析。HydroSTAR是法國船級社開發的三維水動力分析軟件，該軟件能夠求解船舶在無限與有限水深環境下的波浪載荷。

3.2 計算工況

選取起重工況與調遷工況進行分析，對調遷工況采用長期預報分析，對起重工況采用短期預報分析，作業海況為不超過1.5m最大波高，工況參數如表1所列。

表1 工況參數

4 數值模型

建立船體濕表面模型，如圖1所示；

劃分船體外表面網格，如圖2所示；

圖1 濕表面模型

圖2 船體模型

按全船質量分布建立質量模型，質量分布數據如表2、表3所列。

表2 起重工況質量分布

表3 調遷工況質量分布

5 計算結果

5.1 垂向波浪彎矩和垂向波浪剪力最大值RAO曲線

參考《集裝箱船結構強度直接計算指南》，選擇頻率自0.1rad/s至2.0rad/s，步長0.05rad/s，共39個波頻，浪向角自0o至180o，間隔30o，共7個浪向，合共273個單位波幅的規則波，計算船體的波浪誘導運動和濕表面的流體動壓力。沿船長從尾垂線至船首每隔0.025LPP取一個截面，計算每一截面上波浪垂向彎矩與垂向剪力的傳遞函數，作為短期與長期預報的響應變量。

計算結果如圖3～6所示。

圖3 起重工況垂向波浪彎矩RAO

圖4 起重工況垂向波浪剪力RAO

圖5 調遷工況垂向波浪彎矩RAO

圖6 調遷工況垂向波浪剪力RAO

5.2 沿船長垂向波浪彎矩和垂向波浪剪力預報

進行垂向波浪彎矩與垂向波浪剪力的長、短期預報分析，海浪譜采用P-M譜，分析長期預報時選取波浪散布圖為IACS建議選用的波浪資料，概率水平取10-8；計算短期預報時，取有義波高取為1.5 m。可得每一截面上波浪垂向彎矩與垂向剪力的預報值，以下僅列出兩種工況下的波浪彎矩、波浪剪力預報值最大的截面的預報圖，如圖7～10所示。

圖7 起重工況垂向波浪彎矩短期預報

圖8 起重工況垂向波浪剪力短期預報

圖9 調遷工況垂向波浪彎矩長期預報值

圖10 調遷工況垂向波浪剪力長期預報值

匯總沿船長每個截面的垂向波浪彎矩與剪力的預報值，如圖11、圖12所示。

圖11 沿船長垂向波浪彎矩預報值

圖12 沿船長垂向波浪剪力預報值

5.3 波浪垂向彎矩和垂向剪力最大值（表4）

表4 波浪垂向彎矩和垂向剪力最大值

6 設計波浪彎矩與波浪剪力

選取沿船長垂向波浪彎矩與剪力的最大值，參考《油船結構強度直接計算分析指南》計算沿船長的設計垂向波浪彎矩與剪力。

（1）沿船長的設計波浪彎矩Mv

中拱 MV （+） = M · CHB · MW kN · m （1）

中垂 MV （-） = -M · CSB · MW kN · m （2）

式中： =0.987

=1.013

M按《鋼規》選取，則沿船長的設計波浪彎矩如表5及圖13所示。

表5 沿船長分布的設計垂向波浪彎矩

圖13 沿船長的設計波浪垂向彎矩

（2）沿船長的設計垂向波浪剪力Fv為：

中拱 FV （+） = F1CsFW kN （3）

中垂 FV （-） = -F2CsFW kN （4）

式中： Cs=1.5212

F1，F2按《鋼規》選取，則沿船長的設計垂向波浪剪力如表6及圖14所示。

6 結語

由于工程應用的需要，非常規船舶的設計需求越來越大，如何預報非常規船舶的波浪載荷，給船舶結構設計提出了更苛刻的要求。本文介紹的波浪載荷直接計算方法很好的預報了1 500噸起重船的波浪彎矩和波浪剪力，得到了中國船級社的認可，本方法對其它類型非常規船舶的波浪載荷的計算具有一定的參考價值。

表6 沿船長分布的設計垂向波浪剪力

圖14 沿船長的設計垂向波浪剪力

參考文獻

[1] 中國船級社 .鋼質海船入級規范， 2009

[2] 中國船級社. 集裝箱船結構強度直接計算指南， 2005

[3] 中國船級社. 油船結構強度直接計算分析指南， 2003