武漢—舟山江海直達(dá)汽車滾裝船型論證研究

駱行有 王麗錚 張 偉

(武漢理工大學(xué)交通學(xué)院1) 武漢 430063) (武漢規(guī)范研究所2) 武漢 430000)

武漢—舟山江海直達(dá)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(xué)交通學(xué)院1)武漢 430063) (武漢規(guī)范研究所2)武漢 430000)

為解決車輛損壞、船舶安全、轉(zhuǎn)運(yùn)周期長(zhǎng)、成本高、運(yùn)輸效率低和港口擁擠等問(wèn)題，提出了江海直達(dá)船型論證方法.從市場(chǎng)需求出發(fā)，分析了對(duì)直達(dá)通航環(huán)境，結(jié)合滾裝船船型和布置特點(diǎn)，對(duì)船型進(jìn)行波浪中運(yùn)動(dòng)數(shù)值模擬分析，研究船型在不規(guī)則波下的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)和甲板上浪淹濕問(wèn)題，確定滾裝船船型尺度與運(yùn)動(dòng)響應(yīng)和上浪情況的關(guān)系.將模擬計(jì)算結(jié)果引入船型論證，提出船型的耐波性評(píng)價(jià)指標(biāo)和經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)指標(biāo)，論證得到了滿足市場(chǎng)要求和通航環(huán)境要求的優(yōu)秀船型.

江海直達(dá)；汽車滾裝船；數(shù)值模擬；耐波性；甲板上浪；船型論證

0 引 言

當(dāng)前長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶汽車滾裝運(yùn)輸大多采用水路三程運(yùn)輸?shù)姆绞?，需要在寧波—舟山地區(qū)海船轉(zhuǎn)海船、上?！笊降貐^(qū)進(jìn)行海船轉(zhuǎn)江船或江船轉(zhuǎn)海船轉(zhuǎn)運(yùn)，存在車輛損壞、船舶安全、轉(zhuǎn)運(yùn)周期長(zhǎng)、成本高、運(yùn)輸效率低和港口擁擠等問(wèn)題，制約了汽車滾裝運(yùn)輸?shù)陌l(fā)展，采用江海直達(dá)滾裝運(yùn)輸?shù)姆绞侥芎芎玫谋苊膺@些問(wèn)題[1-2].

現(xiàn)有江海直達(dá)船大多按海船設(shè)計(jì)，對(duì)結(jié)構(gòu)要求過(guò)嚴(yán)從而導(dǎo)致空船重量過(guò)大，不僅使船舶造價(jià)增加，而且在營(yíng)運(yùn)過(guò)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(fèi)；江海直達(dá)船型吃水較小，在波浪中的運(yùn)動(dòng)會(huì)出現(xiàn)螺旋槳出水和埋首等問(wèn)題，當(dāng)船舶在波浪中產(chǎn)生垂蕩和首尾搖時(shí)，就會(huì)發(fā)生船首底部砰擊及船底的平面砰擊現(xiàn)象，容易出現(xiàn)海浪中的失速和首部抨擊等問(wèn)題，為解決改善這些問(wèn)題，提出江海直達(dá)船型論證方法.

1 波浪中船舶運(yùn)動(dòng)模型與數(shù)值模擬分析

用流體力學(xué)理論研究船舶在波浪中的搖蕩運(yùn)動(dòng)，需引進(jìn)一些基本假定，分析船舶在波浪中搖蕩運(yùn)動(dòng)受到的6種力的作用，可以把船舶搖蕩運(yùn)動(dòng)分成3個(gè)基本耦合方程組:①縱蕩運(yùn)動(dòng)；②縱向運(yùn)動(dòng)，即船體縱軸鉛錘面內(nèi)的縱搖和垂蕩耦合運(yùn)動(dòng)；③橫向運(yùn)動(dòng)，即橫搖、橫蕩和首搖的耦合運(yùn)動(dòng).在船舶6個(gè)自由度模式中對(duì)應(yīng)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(lái)表示，x1，x2，x3具有長(zhǎng)度因次，x4，x5，x6具有角度因次[3-5].根據(jù)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(dá)式，可將6自由度運(yùn)動(dòng)方程式分成3組：

1) 縱蕩運(yùn)動(dòng)方程式

(1)

2) 縱向運(yùn)動(dòng)方程組

(2)

3) 橫向運(yùn)動(dòng)方程組 根據(jù)切片理論研究船舶在頂浪航行時(shí)的縱搖和垂蕩的耦合運(yùn)動(dòng)，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(gè)船體上的垂蕩力和縱搖力矩為

(4)

(5)

根據(jù)牛頓第二定律，慣性力和外力平衡，船體垂蕩和縱搖運(yùn)動(dòng)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(duì)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(shí)的有效干舷.

基于CFD 軟件的船舶水動(dòng)力學(xué)方面的數(shù)值模擬，因?yàn)榫哂匈M(fèi)用低、無(wú)觸點(diǎn)流場(chǎng)測(cè)量、無(wú)尺度比效應(yīng)、可獲得較為詳細(xì)的流場(chǎng)信息等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用范圍越來(lái)越廣，船舶CFD 的應(yīng)用能提高設(shè)計(jì)質(zhì)量、縮短設(shè)計(jì)周期、降低設(shè)計(jì)成本，因而得到了普遍的重視，是國(guó)際船舶界十分活躍的前沿研究課題[6-7].

2 江海直達(dá)船型論證新方法

江海直達(dá)船舶應(yīng)既能在沿海和近洋航區(qū)航段安全航行與營(yíng)運(yùn)，也能在內(nèi)河長(zhǎng)江航段航區(qū)安全航行與營(yíng)運(yùn)，船舶必須能滿足在外海和內(nèi)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(jiàn)圖1.

圖1 江海直達(dá)汽車滾裝船船型綜合論證技術(shù)路線

3 基于AQWA的江海直達(dá)船舶波浪運(yùn)動(dòng)數(shù)值模擬

3.1 論證船型尺度和要素分析

從市場(chǎng)需求來(lái)看，未來(lái)長(zhǎng)江流域汽車出口量每年達(dá)30萬(wàn)輛以上，內(nèi)貿(mào)車江海聯(lián)運(yùn)達(dá)30萬(wàn)輛以上，按江海直達(dá)滾裝運(yùn)輸20%的份額，年航次數(shù)20次計(jì)算，所需的船舶運(yùn)力規(guī)模約為3 000 CEU.

分析內(nèi)河航段對(duì)船型的限制，主要有航道條件和維護(hù)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(xiàn)在和可預(yù)見(jiàn)性未來(lái)的航運(yùn)限制條件，見(jiàn)表1[8].

根據(jù)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(diǎn)，滾裝船載車量與主尺度的近似關(guān)系，從車輛可行性的布置方案來(lái)看，載車量與排車的方式，即每層甲板排列的行數(shù)X、列數(shù)Y和汽車甲板層數(shù)Z關(guān)系見(jiàn)圖2～3和表2.

表1 武漢—洋山現(xiàn)在和可預(yù)見(jiàn)性未來(lái)的航運(yùn)限制條件m

載車甲板長(zhǎng)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(zhǎng)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(dāng)12

由此可估算船舶尺度與車位布置方案的總載車量的關(guān)系，即

圖2 載車量與船長(zhǎng)的近似關(guān)系回歸

圖3 載車量與船寬的近似關(guān)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(dāng)前和可見(jiàn)性未來(lái)航道條件下，根據(jù)市場(chǎng)需求和以上分析，船型可行性方案見(jiàn)表3.

表3 江海直達(dá)汽車滾裝船型可行性方案參數(shù)范圍

3.2 波浪環(huán)境分析與模型參數(shù)計(jì)算

上?！凵胶Ｑ蠛絽^(qū)主要是遮蔽和沿海航區(qū)，很小部分是近海航區(qū)，舟山海區(qū)屬沿海/近海海域，波浪未經(jīng)充分發(fā)展，數(shù)值模擬計(jì)算中波浪譜取為JONSWAP譜，根據(jù)目前收集的長(zhǎng)江—舟山水域的風(fēng)浪資料和實(shí)測(cè)波浪數(shù)據(jù)，選取波高3.5 m和4 m兩種海況計(jì)算，波浪特征周期的選取，主要針對(duì)系列船進(jìn)行船舶耐波性運(yùn)動(dòng)預(yù)報(bào)，通過(guò)船舶相對(duì)波面運(yùn)動(dòng)嚴(yán)重情況，確定最不利的波浪特征周期，計(jì)算波浪參數(shù)見(jiàn)表4.

滾裝船舶模型參數(shù)計(jì)算，船舶重量與重心估算采用分項(xiàng)重量估算方法，分為船體、上建、舾裝、機(jī)電和貨物5項(xiàng)重量，即

表4 計(jì)算波浪參數(shù)

(12)

(13)

1) 船體鋼料重量與主尺度的指數(shù)關(guān)系式是實(shí)用中根據(jù)統(tǒng)計(jì)實(shí)船重量回歸分析得到的基本關(guān)系式，不同類型船舶回歸后指數(shù)值不同，查閱船舶設(shè)計(jì)實(shí)用手冊(cè)可得布置性船舶的值，即

(14)

式中：D1為計(jì)入舷弧和艙口圍壁容積影響的相當(dāng)型深；CEH為系數(shù)，可用母型船數(shù)據(jù)計(jì)算而得；CBD為計(jì)至型深的方形系數(shù)，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(fā)達(dá)，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(lái)裝載車輛，也為了便于汽車的滾裝，載車甲板不設(shè)艙壁，僅在需要加強(qiáng)的位置設(shè)置2～3排支柱，載車甲板之間通過(guò)斜坡跳板連接，斜坡一般設(shè)置在船中，支柱一般是沿船中對(duì)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(dú)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(duì)尾部的甲板室可取層高的0.7～0.82(內(nèi)部鋼圍壁較多時(shí)取小值)，根據(jù)滾裝船型的特征及參照母型船的特點(diǎn)，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(jù)規(guī)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(cè)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(xiàng)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(shè)備(舵、錨、系泊、救生等)重心可根據(jù)具體布置的位置來(lái)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(xiàn)[9]中的統(tǒng)計(jì)估算公式計(jì)算舾裝重量，由于滾裝船型汽車裝載甲板和圍壁沒(méi)有太多舾裝設(shè)備，因此計(jì)算時(shí)CO取0.98，zgO系數(shù)取1.05，計(jì)算的穩(wěn)性儲(chǔ)備偏于安全.

(17)

式中：CO=0.98～1.28,zgO=(1～1.05)D1.

4) 機(jī)電設(shè)備重量和重心高度估算 根據(jù)《船舶設(shè)計(jì)原理》中的統(tǒng)計(jì)，機(jī)電設(shè)備重量可近似的按主機(jī)功率的平方根的關(guān)系進(jìn)行換算，一般運(yùn)輸船舶機(jī)電設(shè)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(jù)汽車配載和裝載原則，汽車一般左右對(duì)稱布置，假設(shè)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(biāo)(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(jì)算車輛取市場(chǎng)上車輛平均重量1.7 t，m是總載車數(shù)，n是載車甲板層數(shù).

(19)

船體模型慣性矩計(jì)算可根據(jù)一般船舶波浪運(yùn)動(dòng)分析計(jì)算時(shí)采用的估算方法，Kxx=C2B；Kyy=0.25L；Kzz=0.25L，系數(shù)C2與船舶類型有關(guān)，貨船滿載時(shí)C2取0.32～0.35，橫搖附加慣性矩：Jxx=0.25Ixx.

3.3 數(shù)值模擬計(jì)算與結(jié)果分析

基于ANSYS的AQWA平臺(tái)對(duì)計(jì)算船型分析，首先根據(jù)某1 500 CEU江海直達(dá)汽車滾裝船作為母型船進(jìn)行型船型線變換得到計(jì)算船型的型線，在RHINO中進(jìn)行船體型線建模，對(duì)模型預(yù)處理和網(wǎng)格劃分，輸入模型重量、重心等參數(shù)，加載波浪環(huán)境資料和邊界條件，設(shè)置好計(jì)算方法和控制參數(shù)，最后對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析，其分析流程和計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖4～8.

圖4 波浪中船舶運(yùn)動(dòng)數(shù)值模擬分析流程

圖5 船體模型和網(wǎng)格劃分

圖6 船舶波浪運(yùn)動(dòng)響應(yīng)與船長(zhǎng)、船寬的關(guān)系

圖7 船舶波浪運(yùn)動(dòng)響應(yīng)與吃水的關(guān)系

圖8 甲板上浪與波浪參數(shù)及干舷高度的關(guān)系(L=120 m)

由圖4～8可知，船舶的運(yùn)動(dòng)與波浪周期、波幅和船舶尺度有關(guān)，船型參數(shù)(L,B,T)對(duì)各運(yùn)動(dòng)參數(shù)(垂蕩、縱搖和縱蕩)的運(yùn)動(dòng)幅值有影響，船長(zhǎng)主要影響船舶縱搖和垂蕩，船寬主要影響穩(wěn)性和橫搖，船長(zhǎng)、吃水和干舷主要影響甲板上浪，該尺度內(nèi)的滾裝船型垂蕩位移可達(dá)1.5 m，橫搖角達(dá)20°，縱搖角達(dá)2°；在最不利周期下，首柱處甲板上浪概率和每小時(shí)上浪次數(shù)隨著船長(zhǎng)的增加都呈減小趨勢(shì)，上浪概率和次數(shù)隨著波高的增加而急劇增加，甲板上浪對(duì)波浪特征周期和波高比較敏感，對(duì)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(shí)上浪次數(shù)越大，因此在進(jìn)行該種船型的研究和論證中必須考慮其耐波運(yùn)動(dòng)和甲板上浪問(wèn)題，否則論證的船型可能在海上航行時(shí)出現(xiàn)運(yùn)動(dòng)幅度過(guò)大和甲板上浪進(jìn)水而導(dǎo)致船舶翻沉.

根據(jù)數(shù)值模擬計(jì)算得到的船舶搖蕩運(yùn)動(dòng)響應(yīng)曲線，回歸分析得到垂蕩位移與船長(zhǎng)的函數(shù)關(guān)系、橫搖角與船寬的函數(shù)關(guān)系、縱搖角與船長(zhǎng)的函數(shù)關(guān)系以及甲板上浪概率與干舷的關(guān)系如下，由此進(jìn)行考慮江海直達(dá)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(dá)船耐波性和干舷安全的船型論證

確定論證參數(shù)的范圍，船長(zhǎng)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(guī)范穩(wěn)性和內(nèi)河通航限制條件等作為約束，船體絕對(duì)運(yùn)動(dòng)幅值作為耐波性能評(píng)價(jià)指標(biāo)，船價(jià)作為經(jīng)濟(jì)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)共336種組合船型運(yùn)用上述方法進(jìn)行論證，確定較優(yōu)船型.論證得到的綜合指標(biāo)較優(yōu)船型排序見(jiàn)表5.

表5 綜合指標(biāo)排序前5的較優(yōu)船型

耐波性能指標(biāo)越低表明船舶在實(shí)際波浪航行時(shí)的垂蕩、縱搖、橫搖運(yùn)動(dòng)幅度越小，甲板上浪概率越低，經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)越低表明船價(jià)越低，船舶更經(jīng)濟(jì)，論證的優(yōu)秀船型可供市場(chǎng)選擇和參考，論證研究的方法也可作為江海直達(dá)船型設(shè)計(jì)和研究的依據(jù).

5 結(jié) 論

1) 汽車滾裝轉(zhuǎn)運(yùn)方式存在諸多問(wèn)題，江海直達(dá)船型有更強(qiáng)的適應(yīng)性，但當(dāng)前的江海直達(dá)船按照海船規(guī)范設(shè)計(jì)營(yíng)運(yùn)，結(jié)構(gòu)重量大，不能完全發(fā)揮江海直達(dá)船的優(yōu)勢(shì)，提出新的江海直達(dá)船型論證研究方法，論證中考慮船型實(shí)際耐波性能和干舷安全性能，較優(yōu)干舷能保證安全的同時(shí)減輕結(jié)構(gòu)重量，使論證船型適航性能和經(jīng)濟(jì)性能更加優(yōu)良.

2) 不同的波浪條件，船舶的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)也不同，船長(zhǎng)主要影響縱搖、垂蕩和縱蕩運(yùn)動(dòng)，且適當(dāng)增加船長(zhǎng)會(huì)改善縱向運(yùn)動(dòng)，但會(huì)影響經(jīng)濟(jì)性，船寬則主要影響穩(wěn)性和橫搖，增加船寬利于穩(wěn)性和橫搖，但影響快速性，根據(jù)實(shí)際航行條件論證新的船型，選取合適的船型參數(shù)十分有必要，滾裝船因其運(yùn)輸方式的特殊性，具有特殊的型線和布置特點(diǎn)，論證得到的綜合性能優(yōu)良的船型可供市場(chǎng)選擇，提出的江海直達(dá)滾裝船論證新方法也可借鑒到其他江海直達(dá)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(lǐng)域?yàn)榇皵?shù)字化設(shè)計(jì)論證和新船型開(kāi)發(fā)