散貨船槽形艙壁描述性強度評估的載荷計算與分析

李平書，宋揚，吳嘉蒙

(1.上海市船舶工程重點實驗室，上海 200011；2.中國船舶及海洋工程設計研究院，上海 200011)

散貨船貨艙區(qū)橫艙壁一般采用槽形艙壁，且船長90 m以上的散貨船需要滿足共同結構規(guī)范(CSR)[1]。CSR關于散貨船槽形艙壁強度評估載荷的要求比較復雜。

槽形艙壁的載荷是其結構設計、計算和優(yōu)化的依據，正確的載荷計算更是其結構安全性、合理性，以及先進性的前提。結構設計時，需要根據載荷分布、類型及大小合理設置支撐、加強結構，設計合理的節(jié)點和工藝；尺寸計算時，需要根據不同點、不同類型的載荷，計算滿足不同要求的板厚，確定板厚及板縫位置，避免出現結構安全性問題；結構優(yōu)化時，載荷是優(yōu)化結果的決定性因素，正確的載荷才能得到最優(yōu)的槽形，從而實現輕量化設計。所以，載荷的計算方法和細節(jié)十分重要[2-5]。為此，結合實船計算對散貨船槽形艙壁描述性強度評估載荷的計算方法及關鍵技術進行分析。

1 概述

基于CSR描述性要求的散貨船槽形艙壁強度評估，需要考慮完整(intact)和進水(flooded)2種工況下的載荷。

完整工況下，裝載狀態(tài)一般分為均勻裝載和隔艙裝載兩大類，具體包括均勻輕貨滿載(HL)、均勻重貨部分裝載(HH)、隔艙輕貨滿載(AltL)和隔艙重貨部分裝載(AltH)4種裝載狀態(tài)；不同附加營運特性船級符號的散貨船，裝載狀態(tài)會有所不同；對于重壓載貨艙艙壁，還包括重壓載工況(HB)、壓載水置換工況(BWE)和在港/試驗工況(harbour/test)。載荷工況方面，既要考慮“靜”(S)設計載荷工況，又要考慮“靜+動”(S+D)設計載荷工況。對于艙壁前后(或左右)2個相鄰艙室的載荷，應分別進行計算，取其大者作為完整工況下的槽形艙壁設計載荷。

進水工況下，裝載狀態(tài)與完整工況的一致，但只考慮靜(S)設計載荷工況，按照前后2個貨艙單獨進水進行載荷計算，取前后艙室的最大合成壓力與最大合成力作為進水工況下的槽形艙壁設計載荷。

基于CSR描述性要求進行散貨船槽型艙壁強度評估時載荷的基本內容見圖1。

圖1 基于CSR描述性要求進行散貨船槽型艙壁強度評估的載荷

2 載荷計算方法

2.1 干散貨靜壓力

干散貨產生的靜壓力pbs(kPa)為

pbs=ρCgKC(zC-z)，取不小于0

(1)

式中：ρC為干散貨密度；g為重力加速度；KC為與休止角相關的系數；z為載荷計算點垂向坐標；zC為基線到載荷計算點對應的貨物上表面的高度，zC=hDB+hC，其中：hDB為雙層底高度；hC為貨物表面高度，取為內底至散貨上表面的垂直距離。

貨艙幾何尺寸確定的情況下，艙壁任一點處的干散貨靜壓力大小主要由貨物密度和對應的貨物表面高度決定。

2.2 干散貨產生的動壓力

動載荷工況，該動壓力pbd(kPa)為

pbd=fβρC[0.25aX(xG-x)+ 0.25aY(yG-y)+

KCaZ(zC-z)]

對于z>zC，Pbd=0

(2)

式中：fβ為與載荷工況設定及設計波相關的浪向修正系數；aX、aY、aZ為貨艙重心處的縱向、橫向和垂向加速度；xG、yG為散貨艙重心的坐標；x、y、z為載荷計算點坐標。

貨艙幾何尺寸確定的情況下，動載荷工況，艙壁任一點處的干散貨動壓力主要由貨物密度、貨物表面高度，以及艙室重心加速度決定。

2.3 液體靜壓力

重壓載貨艙艙壁上的液體靜壓力pls(kPa)為

pls=ρLg(ztop-z)

(3)

式中：ρL為液體密度，取1.025 t/m3；Ztop為不包括小的艙口的液艙最高點的垂向坐標。

2.4 液體動壓力

動載荷工況下，重壓載貨艙艙壁上的液體動壓力pld(kPa)為

pld=fβρL[aZ(z0-z)+full-laX(x0-x)+

full-taY(y0-y)]

(4)

式中：full-l和full-t分別為用于考慮壓載貨艙充裝不足的縱向、橫向加速度修正系數，對于散貨艙均取為1.0；x0、y0、z0為載荷參考點坐標。

動載荷工況下，重壓載貨艙艙壁任一點處的液體動壓力主要由艙室重心加速度和載荷參考點決定。

2.5 進水貨艙垂直槽型橫艙壁上的靜壓力

該靜壓力pbf-s(kPa)為

1)當zC>zF時

(5)

2)當hDB≤zC≤zF時

(6)

式中：KC-f為與休止角相關的系數；ZF為進水液面高度；perm與貨物類型相關的貨物滲透率；ρ為海水密度。

2.6 進水貨艙垂直槽型橫艙壁上的靜力

該靜力Fbf-s(kN)為

1)當zC>zF時

ρcg(zC-zF)KC-f)+Pbf-s-LE2zF-

hDB-hLS)

(7)

2)當zC≤zF時

ρg(zC-zF)+Pbf-s-LE2zC-

hDB-hLS)

(8)

式中：SC為單位槽長；hLS為從內底量起的底凳的平均高度；Pbf-s-LE為z=hLS+hDB處的靜壓力。

2.7 未進水貨艙垂直槽型橫艙壁上的靜壓力

該靜壓力pbs(kPa)為

pbs=ρCgKC-f(zC-z)，不小于0

(9)

2.8 未進水貨艙垂直槽型橫艙壁上的靜力

該靜力Fbs(kN)為

(10)

2.9 進水貨艙垂直槽型橫艙壁上的合成壓力及合成力

作用在艙壁上任意一點的合成壓力pR(kPa)及作用在槽條上的合成力FR(kN)為

1)均勻裝載工況。

pR=pbf-s-0.8Pbs，FR=Fbf-s-0.8Fbs

(11)

2)隔艙裝載工況。

PR=Pbf-s，FR=Fbf-s

(12)

3 載荷計算關鍵技術處理

3.1 貨物表面高度

滿載貨艙的貨物表面高度(hc)由貨艙的幾何尺寸決定。

hc=hHPU+h0

(13)

式中：hHPU為所考慮貨艙中部從中縱剖線處的內底至頂邊艙與舷側外板或內殼(對于雙舷側散貨船)上交點的垂直距離；h0為由貨艙幾何尺寸決定的參數。

部分裝載貨艙的貨物表面高度(hc)不僅與貨艙的幾何尺寸相關，還和貨物質量(M)與貨物密度(ρC)的比值相關，其計算公式為

(14)

式中：hcCL為中縱剖線處的貨物表面高度；B2為貨物最大寬度，均由貨艙的幾何屬性及M與ρC的比值決定。

M和ρC一般根據散貨船類型和裝載工況，由貨艙體積和裝載數據(可以從裝載手冊中得到)計算得到，完整工況和進水工況的計算方法有差別。一般來講，滿艙裝載時，ρC≥1.0 t/m3；部分裝載時，ρC≤3.0 t/m3。

某實船計算得到的hc分布見圖2，由于完整工況與進水工況下的M和ρC的計算方法的不同，重貨部分裝載工況時，兩者hc也有差別。另外，由于散貨船為直通型單甲板結構，且一般采取均勻貨艙劃分，所以對于同一艘散貨船，各貨艙的hc分布基本上相同。

圖2 實船計算hc分布

3.2 貨艙重心加速度計算

動載荷工況下的貨艙重心加速度(aX、aY、aZ)由船舶主尺度、船舶運動參數、船舶重心加速度，以及對應的加速度載荷組合系數(LCF)得到。

aX=-CXGgsinφ+CXSasurge+CXPapitch(zG-R)aY=CYGgsinθ+CYSasway-CYRaroll(zG-R)aZ=CZHaheave+CZRarollyG-CZPapitch(xG-0.45L)

(15)

計算流程見圖3。

圖3 貨艙重心加速度計算流程

首先，由船舶主尺度(L、B、D)和裝載工況(即吃水TLC)得到橫搖回轉半徑(Kr)、初穩(wěn)性高度(GM)和各加速度LCF(CXG、CXS、CXP、CYG、CYS、CYR、CZH、CZR、CZP)；然后，由Kr和GM先后計算得到船舶運動參數(橫搖周期Tθ、橫搖角θ、縱搖周期Tφ和縱搖角φ)和船舶重心加速度(縱蕩加速度asurge、橫蕩加速度asway、垂蕩加速度aheave、橫搖加速度aroll、縱搖加速度apitch)；最后，得到貨艙重心加速度。

菊花主要的病蟲害有葉斑病、白粉病和蚜蟲赤峽蝶、二星葉蟬、灰巴蝸牛、橘天牛、星白燈蛾等。葉斑病和蚜蟲發(fā)病期較長，需要定期噴灑殺菌劑進人生殖期菊花容易發(fā)生白粉病，可噴灑波爾多液或代森鋅稀釋液防治，每噴一次，并時時觀察花蕾顏色，待顏色透亮后即可停止使用，此病如果不及時防治會危害花蕾，影響菊花質量。蚜蟲的防治可噴灑魚藤精，還可利用蚜蟲對黃色趨向的特性，在黃色的塑料薄板表面涂上機油或捕鼠膠進行誘捕。在病蟲害發(fā)生期應減少澆水次數，以避免藥物作用減退。

3.3 重壓載貨艙液體動載荷參考點

該參考點是艙室頂邊界范圍內相對于艙室重心總加速度矢量Vj最大的點。

Vj=aX(xj-xG)+aY(yj-yG)+(aZ+g)(zj-zG)

(16)

式中：xj、yj、zj為艙室頂邊界范圍內任意點的坐標；xG、yG、zG為艙室重心坐標；aX、aY、aZ為艙室重心加速度。

散貨艙的頂邊界范圍可以由圖4所示的一系列角點進行表示，這些角點一般包括艙口圍頂邊線交點、艙壁處頂邊艙斜板的頂點和底點[6]。計算時，可以對包括這些角點在內的頂邊界內的所有點進行計算，找出Vj最大的點作為載荷參考點。

圖4 散貨艙角點

對多型散貨船的重壓載貨艙計算后發(fā)現，液體動載荷參考點具有以下特點：①所有參考點均為艙口圍頂邊線交點；②參考點(RP)與動載荷工況(DLC)對應；③各裝載工況下的參考點相同；④不同船型，參考點分布也相同。見表1。

表1 重壓載貨艙液體動載荷參考點分布

4 載荷特點

根據CSR對槽形艙壁垂向板厚區(qū)域劃分的要求可以確定載荷計算點的垂向坐標，分別為：槽條下端、0.15lcg處和0.7lcg處；而橫向沒有要求，需要根據載荷橫向分布具體情況進行劃分。因此，選取208K BC、82K BC、48K BC這3型典型的散貨船的槽形艙壁載荷進行計算，根據計算結果分析其橫向分布的特點。

4.1 設計載荷橫向變化趨勢

將各艙壁進行等間距劃分(取艙壁半寬，0號位為中縱位置)，計算各槽條、各垂向計算點處的載荷，繪制各設計載荷工況下槽條設計載荷橫向變化曲線。由計算結果發(fā)現，散貨船槽形艙壁設計載荷橫向變化趨勢具有以下特點。

1)完整工況，S+D設計載荷工況下，無論非重壓載艙艙壁，還是重壓載艙艙壁，各垂向區(qū)域槽條設計載荷橫向(從中縱至舷側方向)均呈逐漸變大趨勢，見圖5。

圖5 設計載荷橫向變化趨勢(完整工況，S+D)

2)完整工況，S設計載荷工況下，槽條設計載荷橫向呈水平分布，無變化，見圖6。

圖6 設計載荷橫向變化趨勢(完整工況，S)

圖7 設計載荷橫向變化趨勢(進水工況)

4.2 設計載荷橫向變化幅值

針對S+D設計載荷工況，取各艙壁、各垂向區(qū)域內最大槽條設計載荷與最小槽條設計載荷的差值作為各垂向區(qū)域設計載荷的橫向變化幅值，分別繪制“不考慮重壓載工況”以及“考慮重壓載工況”兩種情況時的幅值圖。對比分析后發(fā)現，散貨船槽形艙壁設計載荷橫向變化幅值具有以下特點。

1)不考慮重壓載工況時，各艙壁設計載荷橫向變化幅值基本上一致，差別不大；而且，大型散貨船的設計載荷橫向變化幅值非常小。

2)考慮重壓載工況時，重壓載工況對艙壁載荷橫向幅值影響與船舶尺寸正相關—主尺寸越大，影響越大；對于大型散貨船，重壓載貨艙艙壁載荷橫向幅值較大，且前后重壓載艙壁的幅值差距也較大。

4.3 設計載荷極值

針對S+D設計載荷工況，取各艙壁、各垂向區(qū)域內的最大槽條設計載荷作為其設計載荷極值，分別繪制“不考慮重壓載工況”以及“考慮重壓載工況”兩種情況時的極值圖。對比分析后發(fā)現，散貨船槽形艙壁設計載荷極值具有以下特點。

1)不考慮重壓載工況時，各艙壁設計載荷極值基本上相同，差別不大。

2)考慮重壓載工況時，重壓載艙壁載荷極值均有較大幅度增加，且前后重壓載艙壁極值相差比較明顯。

5 結論

1)散貨船槽形艙壁載荷計算的關鍵是貨物表面高度、貨艙重心加速度以及重壓載貨艙液體動載荷參考點的計算。

2)不同裝載形式，貨物表面高度計算方法不同；相同散貨船，各貨艙的貨物表面高度基本相同。

3)貨艙重心加速度由船舶主尺度、船舶運動參數、船舶重心加速度和加速度載荷組合系數計算得到。

4)散貨船重壓載貨艙液體動載荷參考點分布具有共性，與動載荷工況對應，且均為艙口圍頂邊線交點。

5)散貨船槽形艙壁設計載荷在橫向變化趨勢、變化幅值和極值方面具有一定的特點，可以在其結構設計、計算和優(yōu)化時加以應用。具體應用方法有待進一步細化。