破損集裝箱船剩余極限強(qiáng)度的研究

(武漢船舶職業(yè)技術(shù)學(xué)院船舶與海洋工程學(xué)院，湖北武漢 430050)

破損集裝箱船剩余極限強(qiáng)度的研究

鄭蘭

(武漢船舶職業(yè)技術(shù)學(xué)院船舶與海洋工程學(xué)院，湖北武漢 430050)

用逐步破壞法編制了破損船舶計(jì)算程序，采用ABS的破損模型計(jì)算了一條集裝箱船碰撞與擱淺下的剩余極限彎矩。計(jì)算了這條集裝箱船基于極限強(qiáng)度的剩余強(qiáng)度指標(biāo)，并對(duì)該船舶碰撞與擱淺下3個(gè)影響因素進(jìn)行了敏感度分析，得出了結(jié)論對(duì)破損集裝箱的救援具有指導(dǎo)意義。

集裝箱船；剩余極限強(qiáng)度；敏感度

集裝箱船作為快速運(yùn)輸船舶的代表，在水上貨物運(yùn)輸中的重要作用日漸明顯。然而，集裝箱船事故發(fā)生卻不可避免。2004年10月12日，九蓮山號(hào)集裝箱船發(fā)生碰撞事故導(dǎo)致沉沒；2011年10月5日，MSC Rena號(hào)在新西蘭港口發(fā)生觸礁擱淺，導(dǎo)致嚴(yán)重的海洋污染；2012年3月15日，新加坡籍集裝箱船BARELI在中國(guó)江陰港海域觸礁擱淺，導(dǎo)致大批集裝箱落海；2013年6月17日，MOL Comfort 由于惡劣天氣導(dǎo)致貨艙進(jìn)水，隨后船舶從中部斷裂，隨后發(fā)生火災(zāi)并斷裂。為此，IACS加強(qiáng)了集裝箱船安全標(biāo)準(zhǔn)方面的工作，集裝箱規(guī)范呼之欲出，在集裝箱規(guī)范中將極限強(qiáng)度納入其內(nèi)。

用船體梁極限強(qiáng)度來(lái)衡量船舶結(jié)構(gòu)的安全，已經(jīng)得到了許多船級(jí)社及學(xué)者的認(rèn)可。船舶破損后，對(duì)船舶剩余極限強(qiáng)度的評(píng)估，這方面也取得了不少成績(jī)。遲博軒[1]運(yùn)用有限元軟件對(duì)實(shí)船進(jìn)行了艙段建模，求解了碰撞和擱淺情況下破損船舶的應(yīng)力分布；鄧林峰[2]采用直接計(jì)算法對(duì)兩艘油船破損狀態(tài)下的剩余強(qiáng)度進(jìn)行了計(jì)算；駱文剛[3]用逐步破壞法計(jì)算了集裝箱船的極限強(qiáng)度并與非線性有限元法計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了比較；劉俊梅[4]計(jì)算了一艘集裝箱船碰撞與擱淺時(shí)的剩余強(qiáng)度，并進(jìn)行了敏感度分析。

當(dāng)集裝箱船破損后，采取有效的措施來(lái)防止船舶剩余強(qiáng)度進(jìn)一步降低，防止結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步破壞，對(duì)于遇難船舶的救援來(lái)說(shuō)非常重要。本文采用逐步破壞法編制了計(jì)算程序，計(jì)算了一艘集裝箱船碰撞和擱淺下的剩余極限強(qiáng)度，并對(duì)破損船舶的敏感度進(jìn)行了分析。通過(guò)計(jì)算結(jié)果分析，得出了一些結(jié)論，對(duì)于集裝箱船的救援和營(yíng)運(yùn)具有一定指導(dǎo)意義。

1 破損船舶剩余強(qiáng)度評(píng)估

目前，有兩個(gè)指標(biāo)[5]來(lái)評(píng)估破損船舶剩余強(qiáng)度。它們是：

(1)基于剖面模數(shù)的剩余強(qiáng)度評(píng)估指標(biāo)

(1)

式中：W為破損船體的有效剖面模數(shù)，Wr 為所要求的破損船體的有效剖面模數(shù)。

這種評(píng)價(jià)指標(biāo)的實(shí)質(zhì)就是根據(jù)甲板板或船底板處規(guī)范要求的有效破面模數(shù)和破損船體的實(shí)際有效破面模數(shù)進(jìn)行比較，從而對(duì)船舶的剩余強(qiáng)度進(jìn)行評(píng)估。

(2) 基于極限彎曲強(qiáng)度的剩余強(qiáng)度評(píng)估指標(biāo)

fu=Mu/Mt

(2)

式中：Mu為破損船體的極限彎矩，Mt為破損船體的極端外彎矩。

這種評(píng)價(jià)指標(biāo)的實(shí)質(zhì)是將船舶破損后的極限彎矩和極端外彎矩進(jìn)行比較，這種評(píng)估更符合船舶實(shí)際承載能力，同時(shí)，當(dāng)船舶破損后一般都會(huì)發(fā)生不同程度的橫傾，采用基于極限彎曲強(qiáng)度的剩余強(qiáng)度指標(biāo)來(lái)評(píng)估船舶的剩余極限強(qiáng)度更為合適。

2 破損模型的確定

目前發(fā)生的海損事故中，最常見的就是碰撞和擱淺。碰撞和擱淺后破損模型越接近實(shí)際情況，剩余強(qiáng)度計(jì)算的結(jié)果越準(zhǔn)確。ABS[6]根據(jù)長(zhǎng)期的調(diào)查與統(tǒng)計(jì)，定義了兩種典型船舶碰撞與擱淺時(shí)船舶的破損范圍。由于集裝箱船和雙殼油船結(jié)構(gòu)比較相似，因此，本文破損模型參照雙殼油船來(lái)計(jì)算，如圖1、圖2所示。

圖1 船舶碰撞破損模型

圖2 船舶擱淺破損模型

3 破損集裝箱船剩余強(qiáng)度計(jì)算實(shí)例

集裝箱船的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是，雙層底，雙層舷側(cè)，大開口，甲板面積小。舷側(cè)設(shè)多層平臺(tái)甲板，舷側(cè)頂部設(shè)置抗扭箱。本文計(jì)算了ISSC[7]集裝箱船，其跨長(zhǎng)5 100 mm，楊氏模量E=205 800 N/mm2，泊松比v=0.3， 橫剖面如圖3所示。

圖3 某集裝箱船截面形狀與尺寸圖

(1)參照ABS對(duì)雙殼油船的破損范圍的定義，碰撞時(shí)破損船舶右舷甲板邊板1/8D以及舷側(cè)外板頂部向下1/4D的范圍。擱淺時(shí)破損船底板靠右舷向船舯1/6B的范圍。本文使用計(jì)算程序，計(jì)算了該集裝箱船碰撞和擱淺情況下，向左(為副)及向右(為正)橫傾不同角度下的始屈彎矩My、塑性彎矩Mp、中垂極限彎矩Mus及中拱極限彎矩Muh,并將計(jì)算結(jié)果繪制成圖4、圖5。

圖4 碰撞時(shí)集裝箱船極限彎矩-橫傾角曲線

圖5 擱淺時(shí)集裝箱船極限彎矩-橫傾角曲線

從圖4、圖5中可以看出：①集裝箱船碰撞和擱淺時(shí)，在不同的橫傾角下塑性彎矩始終最大，始屈彎矩在小傾角范圍內(nèi)小于極限彎矩，但隨著橫傾角的加大，始屈彎矩會(huì)大于極限彎矩，說(shuō)明用塑性彎矩和始屈彎矩來(lái)評(píng)估破損船舶剩余強(qiáng)度，可能會(huì)偏于危險(xiǎn)。②集裝箱船碰撞破損后剩余極限彎矩隨著傾角的不對(duì)稱性尤為明顯：當(dāng)船舶向破損一側(cè)橫傾時(shí)，中拱及中垂極限彎矩隨著橫傾角的加大升高；當(dāng)船舶向非破損一側(cè)橫傾時(shí)，中拱及中垂極限彎矩隨著橫傾角的加大而降低。集裝箱船擱淺破損時(shí)，隨著橫傾角度的增加，極限彎矩變化不那么明顯。說(shuō)明，當(dāng)集裝箱船碰撞擱淺時(shí)，合理的調(diào)整船舶的浮態(tài)可以提高船舶的剩余極限強(qiáng)度。③集裝箱船碰撞破損時(shí)，在大多數(shù)情況下中垂極限彎矩小于中拱極限彎矩，但是當(dāng)船舶向非破損一側(cè)橫傾超過(guò)10°以后，中垂極限彎矩大于中拱極限彎矩。而集裝箱船擱淺破損時(shí)，中垂極限彎矩始終小于中拱極限彎矩。

(2)本文計(jì)算了集裝箱船在碰撞和擱淺破損時(shí)，船舶向左橫傾45°至向右橫傾45°，隨著破損位置的改變中垂剩余強(qiáng)度指標(biāo)fus與中拱剩余強(qiáng)度指標(biāo)fuh的值，并將計(jì)算結(jié)果繪制成圖如下。集裝箱船碰撞破損時(shí)破損范圍取為：船舶右舷自上向下破損0-1/4D、1/8D-3/8D、1/4D-2/4D。集裝箱船擱淺時(shí)破損范圍取為：靠近右舷的船底板向船舯破損0-1/6B、1/12B-3/12B、2/12B-4/12B。

從圖6至圖9可以看出：①集裝箱船碰撞破損時(shí)，在大多數(shù)情況下，隨著破損位置從上向下移動(dòng)，中垂和中拱剩余強(qiáng)度指標(biāo)逐漸增大。說(shuō)明，集裝箱船舶碰撞破損時(shí)，破損位置越靠近船底越安全。②集裝箱船擱淺破損時(shí)，當(dāng)船舶向破損一側(cè)橫傾時(shí)，隨著破損位置從舷側(cè)向船舯移動(dòng)，中垂和中拱剩余強(qiáng)度指標(biāo)都逐漸增大。

圖6 碰撞時(shí)集裝箱船fus-橫傾角曲線

圖7 碰撞時(shí)集裝箱船fuh-橫傾角曲線

圖8 擱淺時(shí)集裝箱船fus-橫傾角曲線

圖9 擱淺時(shí)集裝箱船fuh-橫傾角曲線

4 破損集裝箱船敏感度分析

當(dāng)集裝箱船船舶發(fā)生碰撞擱淺事故后，需要在最短的時(shí)間內(nèi)找到提高其剩余極限強(qiáng)度的措施。因此，就必須知道在不同的情況下，集裝箱船的剩余極限強(qiáng)度和哪些重要因素有關(guān)，以便采取有效的措施，來(lái)提高破損船舶的剩余極限強(qiáng)度，或者是采取措施避免剩余極限強(qiáng)度進(jìn)一步降低導(dǎo)致的船舶更嚴(yán)重的破損或沉沒。從目前的研究成果來(lái)看，影響破損集裝箱船剩余極限強(qiáng)度的三大因素分別為：船舶破損后的浮態(tài)即橫傾角度、船舶破損的范圍大小以及破損位置的不同。本文采用中心差分計(jì)算了該集裝箱船對(duì)以上三大因素的敏感度。計(jì)算表格如表1、表2所示。

表1 小傾角下破損集裝箱船剩余極限強(qiáng)度敏感度

將表1-2中敏感度的計(jì)算結(jié)果取絕對(duì)值繪制圖形如圖10、圖11：

從圖10、圖11可得出以下結(jié)論：①集裝箱船在小角度橫傾下：碰撞和擱淺破損時(shí)，對(duì)船舶的剩余極限強(qiáng)度影響最大的因素是船舶的破損范圍：碰撞破損時(shí)，破損位置對(duì)剩余極限強(qiáng)度的敏感度僅次于破損范圍。②集裝箱船在大角度橫傾下：碰撞時(shí)對(duì)船舶的剩余極限強(qiáng)度影響最大的因素是橫傾角度；擱淺破損時(shí)，破損范圍對(duì)船舶剩余極限強(qiáng)度敏感度最大，其次為橫傾角度。

表2 大傾角下破損集裝箱船剩余極限強(qiáng)度敏感度

圖10 小傾角下破損集裝箱船剩余極限強(qiáng)度敏感度

圖11 大傾角下破損集裝箱船剩余極限強(qiáng)度敏感度

5 結(jié) 語(yǔ)

本文編制了逐步破壞法的計(jì)算程序。首先，按照ABS雙殼油船的破損模型計(jì)算了一條集裝箱船在碰撞和擱淺破損情況下，在不同的橫傾角度下的始屈彎矩、塑性彎矩、中垂極限彎矩及中拱極限彎矩,并將計(jì)算結(jié)果繪制成圖進(jìn)行分析。接著，用該程序計(jì)算了該集裝箱船碰撞和擱淺時(shí)不同的破損位置，不同的橫傾角度下的中垂和中拱剩余強(qiáng)度指標(biāo)。將計(jì)算結(jié)果繪制成圖進(jìn)行分析。最后，用該程序計(jì)算了影響集裝箱船剩余極限強(qiáng)度的三大因素的敏感度，并將結(jié)果繪制圖表分析。通過(guò)以上的分析，得出了一些有價(jià)值的結(jié)論，對(duì)于集裝箱法規(guī)的制定與修改，對(duì)于集裝箱船破損后的救援和拖航具有重要參考價(jià)值。

1 遲博軒.破損船舶剩余強(qiáng)度安全性研究[D].大連:大連海事大學(xué)，2015:24-47.

2 鄧林峰.船體極限強(qiáng)度直接法分析與計(jì)算[D].武漢:武漢理工大學(xué)，2008:39-65.

3 駱文剛.內(nèi)河船舶極限強(qiáng)度計(jì)算的逐步破壞法程序設(shè)計(jì)[J].中國(guó)艦船研究,2013，8(2)：58-64.

4 劉俊梅.破損船體剩余極限強(qiáng)度的影響參數(shù)與敏感度分析[J].船舶工程,2007,29(3):51-54.

5 鄭蘭. 油船完整極限強(qiáng)度及破損剩余強(qiáng)度與研究[D].武漢:武漢理工大學(xué)，2008:23-39.

6 ABS . SAFEHULL SYSTEM. 1983.
.

7 Yao T, Astrup O C, Caridis P, et al. Ultimate hull girder strength. Proc.14th International Ship and Offshore Structures Congress,Nagasaki, Japan,2000,2:321-391.

Abstract: Ship damage calculation program is made with the progressive method, and the residual ultimate moment of a container ship under the collision and grounding situation is calculated by using ABS damage model. The residual strength index of the collision and groundingship is calculated and the three influential factors’ sensitivity is analyzed. The analysis and study results provides guidance for the rescue of damaged container ships.

Keywords:container ship; residual ultimate strength; sensitivity

(責(zé)任編輯：譚銀元)

ResearchonResidualUltimateStrengthofDamagedContainerShips

ZHENLan
(Wuhan Institute of Shipbuilding Technology，Wuhan 430050，China)

U661.43

A

1671-8100(2017)03-0010-04

武漢船舶職業(yè)技術(shù)學(xué)院院級(jí)重點(diǎn)項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào)：2016z04)。

2017-04-11

鄭 蘭，女，碩士，研究方向?yàn)椋捍芭c海洋結(jié)構(gòu)安全性與可靠性。