重大件貨物系固綁扎方案中傾覆力計(jì)算方法

汪 驥， 王兆麒， 李 瑞， 劉玉君， 宋宜倫

(1. 大連理工大學(xué) 工業(yè)裝備結(jié)構(gòu)分析國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 遼寧 大連 116024；2. 高新船舶與深海開發(fā)裝備協(xié)同創(chuàng)新中心， 上海 200240； 3.大連市第二十四中學(xué)， 遼寧 大連 116001)

重大件貨物系固綁扎方案中傾覆力計(jì)算方法

汪 驥1,2， 王兆麒1， 李 瑞1， 劉玉君1， 宋宜倫3

(1. 大連理工大學(xué) 工業(yè)裝備結(jié)構(gòu)分析國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 遼寧 大連 116024；2. 高新船舶與深海開發(fā)裝備協(xié)同創(chuàng)新中心， 上海 200240； 3.大連市第二十四中學(xué)， 遼寧 大連 116001)

重大件貨物在航運(yùn)途中需進(jìn)行系固綁扎，避免其受船體運(yùn)動(dòng)傾覆力的影響而發(fā)生位移或翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，造成貨物損毀。根據(jù)中國船級(jí)社頒布的《海上拖航指南》，對(duì)貨物所受的傾覆力進(jìn)行分析，改進(jìn)傾覆力中慣性力的計(jì)算方法。在實(shí)船計(jì)算中，對(duì)比改進(jìn)前后《海上拖航指南》傾覆力計(jì)算方法和《貨物系固手冊(cè)編制指南》傾覆力計(jì)算方法，并分析各計(jì)算方法的特點(diǎn)。

重大件貨物；系固綁扎；傾覆力；海上拖航指南；貨物系固手冊(cè)編制指南

0 引言

重大件貨物在海上運(yùn)輸途中，載運(yùn)船舶受到風(fēng)浪載荷作用產(chǎn)生的搖蕩運(yùn)動(dòng)會(huì)使貨物受到慣性力作用。此外，風(fēng)壓力和甲板上飛濺的波浪也會(huì)對(duì)貨物產(chǎn)生作用力。如果不對(duì)貨物進(jìn)行系固綁扎，這些力會(huì)導(dǎo)致貨物傾覆，甚至毀壞，或墜入海中導(dǎo)致貨物損失，同時(shí)也威脅到運(yùn)輸安全。因此,在制定系固綁扎方案的過程中，確定能夠使貨物發(fā)生移動(dòng)的力即傾覆力的大小是方案制定的重要依據(jù)。眾多學(xué)者對(duì)傾覆力的計(jì)算進(jìn)行了研究。沈華[1]采用Worst Case Approach(最差情況法)提出了重大件貨物所受慣性力的相應(yīng)算法。楊守威[2]、黃賢俊[3]等對(duì)船體在海上的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了分析，并基于此研究了重大件貨物在海上的受力情況。在實(shí)踐過程中，綁扎計(jì)算主要還是參考有關(guān)部門頒布的指導(dǎo)文件或規(guī)則。目前可參考的指導(dǎo)文件有中國船級(jí)社頒布的《海上拖航指南》和《貨物系固手冊(cè)編制指南》。兩本指導(dǎo)文件提供了兩種不同的計(jì)算方法，這兩種方法也是目前我國貨物綁扎計(jì)算中最常用的算法。研究發(fā)現(xiàn)，《海上拖航指南》對(duì)于傾覆力的計(jì)算方法存在缺陷。

由于《海上拖航指南》中對(duì)傾覆力的計(jì)算是基于船體運(yùn)動(dòng)分析，通過對(duì)船舶在海上的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行分析，研究了貨物在運(yùn)輸途中的最大受力情況，即最不利于貨物穩(wěn)定的情況，從而對(duì)指南中的算法進(jìn)行改進(jìn)。

1 《海上拖航指南》中傾覆力計(jì)算及改進(jìn)

1.1 慣性力計(jì)算

《海上拖航指南》中對(duì)于慣性力的計(jì)算基于船體運(yùn)動(dòng)分析，即從橫向、縱向和垂向3個(gè)方向?qū)ω浳锏氖芰M(jìn)行分析。計(jì)算時(shí)坐標(biāo)原點(diǎn)取在中橫剖面、中縱剖面和水線面交點(diǎn)處。

貨物在橫向的受力分析如圖1所示，作用在貨物上平行于甲板的橫向慣性力計(jì)算公式為

式中：m為貨物質(zhì)量，t；g為重力加速度，9.81 m/s2； rφ為貨物質(zhì)量中心至水線處假定旋轉(zhuǎn)中心的距離，m；α為夾角；φ為最大橫搖角，(°)；Tφ為橫搖周期。

圖1 貨物橫向受力

貨物縱向受力如圖2所示，作用在貨物上平行于甲板的縱向慣性力計(jì)算公式為

式中：rφ為貨物質(zhì)量中心至水線處假定的旋轉(zhuǎn)中心的距離，m；α為夾角；θ為最大縱搖角，(°)。

圖2 貨物縱向受力

作用在貨物上或甲板堆裝構(gòu)件上的垂向慣性力可按式(3)計(jì)算。

式中：a為垂向加速度，m/s2；a=3.75e-0.003L，其中L為船長，m。

在式(1)和式(2)兩式中第一項(xiàng)分別為重大件由于船舶橫搖和縱搖運(yùn)動(dòng)受到的切向力沿y軸和x軸的分力。對(duì)綁扎方案的強(qiáng)度進(jìn)行校核，需要保證在最差的情況(指船舶的橫搖、縱搖和垂蕩運(yùn)動(dòng)均達(dá)到最大幅度)下仍能保證足夠的強(qiáng)度?！逗Ｉ贤虾街改稀氛J(rèn)為，最不利的情況是船舶的橫搖和縱搖運(yùn)動(dòng)的幅度都達(dá)到最大值。此時(shí)，貨物的向心力，即法向力為0，故在式(1)和式(3)中只有切向力沿相應(yīng)坐標(biāo)軸的分力。

1.2 波濺力和風(fēng)壓力

在《海上拖航指南》中，波濺力和風(fēng)壓力根據(jù)船舶行駛的航區(qū)來進(jìn)行計(jì)算。

風(fēng)壓力Fq為

式中：Aq為貨物側(cè)向投影面積，在無限航區(qū)和近海航區(qū)內(nèi)kq為1.0 kN/m2，在沿海航區(qū)內(nèi)kq為0.85 kN/m2，在遮蔽航區(qū)內(nèi)kq為0.70 kN/m2。

由于海水飛濺產(chǎn)生的波濺力Fw為

式中：Aw為進(jìn)計(jì)算距干舷加班以上2.0 m范圍內(nèi)的貨物側(cè)向投影面積，在無限航區(qū)和近海航區(qū)內(nèi)kw為1.0 kN/m2，在沿海航區(qū)內(nèi)kw為0.70 kN/m2，在遮蔽航區(qū)內(nèi)kw為0.50 kN/m2。

1.3 傾覆力計(jì)算方法改進(jìn)

從《海上拖航指南》中橫向和縱向慣性力的計(jì)算公式可以看出，該算法僅考慮了船舶橫搖和縱搖對(duì)貨物受力的影響，認(rèn)為只要這兩個(gè)方向上的船舶運(yùn)動(dòng)達(dá)到幅值，貨物受到的傾覆力中的慣性力即達(dá)到最大值。然而在實(shí)際情況中，船舶垂蕩運(yùn)動(dòng)也會(huì)對(duì)貨物的慣性力產(chǎn)生較大影響。因此，對(duì)貨物穩(wěn)定性最不利的情況是：船舶在橫搖、縱搖和垂蕩3個(gè)方向上的運(yùn)動(dòng)都到達(dá)幅值，在這種情況下，貨物受到的慣性力才達(dá)到最大值。在考慮垂蕩影響后，貨物在橫向和縱向上的慣性力計(jì)算式為

式中：Zm為船舶在垂向運(yùn)動(dòng)的幅值。

1.4 貨物所受傾覆力合力

綜合上面對(duì)于貨物所受慣性力、波濺力和風(fēng)壓力的分析，貨物在橫向和縱向的傾覆力計(jì)算公式為

2 《貨物系固手冊(cè)編制指南》中傾覆力計(jì)算

與《海上拖航指南》中的計(jì)算方法相比，《貨物系固手冊(cè)編制指南》中的貨物受力計(jì)算較為簡化，不需要分析船體運(yùn)動(dòng)即可計(jì)算貨物的受力。

2.1 慣性力計(jì)算

慣性力的計(jì)算在《貨物系固手冊(cè)編制指南》中簡化為

式中：Fx，F(xiàn)y，F(xiàn)z分別為縱向、橫向和垂向的慣性力；m為貨物單元的質(zhì)量；ax，ay，az分別為縱、橫、垂向基本加速度值，基本加速度取值會(huì)依據(jù)貨物在垂向和縱向的擺放位置，參考《貨物系固手冊(cè)編制指南》提供的數(shù)據(jù)[5]。該數(shù)值是在對(duì)船舶尺寸和運(yùn)營條件等方面進(jìn)行限定的標(biāo)準(zhǔn)條件下計(jì)算的，若不能滿足標(biāo)準(zhǔn)條件則通過修正系數(shù)r1和r2對(duì)加速度進(jìn)行修正。

r1為與船長與航速相關(guān)的加速度修正系數(shù)，計(jì)算方法為

式中：L為船長；v為航速。

r2為與船寬初穩(wěn)心高相關(guān)的橫向加速度修正系數(shù)，當(dāng)B/GM0<13時(shí)可根據(jù)其具體比值，參考《貨物系固手冊(cè)編制指南》取值。DNV在對(duì)該系數(shù)進(jìn)行研究后，將B/GM0的取值范圍從《貨物系固手冊(cè)編制指南》中的7至13，擴(kuò)充到了4[6]。

2.2 波濺力和風(fēng)壓力

《貨物系固手冊(cè)編制指南》中對(duì)于波濺力和風(fēng)壓力的計(jì)算與《海上拖航指南》的不同之處在于，其認(rèn)為風(fēng)壓力和波濺力的單位面積受力均為1 kN，無論在什么航區(qū)，即式(7)和式(8)中的kq和kw均為1 kN/m2。

2.3 傾覆力合力計(jì)算

綜合上述，《貨物系固手冊(cè)編制指南》中的傾覆力計(jì)算式為

3 計(jì)算實(shí)例

現(xiàn)以某20 000 t自航駁船運(yùn)輸重大件貨物為計(jì)算實(shí)例，使用兩個(gè)指導(dǎo)文件中提供的兩種計(jì)算方法，分別對(duì)重大件貨物在海上運(yùn)輸所受到的慣性力進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算參數(shù)分別如表1和表2所示，有關(guān)船體運(yùn)動(dòng)的幅值固有頻率等的計(jì)算可依據(jù)文獻(xiàn)[2]中的計(jì)算方法進(jìn)行。

表1 重大件貨物參數(shù)表

表2 駁船參數(shù)表

使用《貨物系固手冊(cè)編制指南》和《海上拖航指南》(包括未改進(jìn)和改進(jìn))的計(jì)算方法對(duì)貨物的橫向、縱向和垂向3個(gè)方向的受力進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如表3所示。

表3 計(jì)算結(jié)果

由表3中《海上拖航指南》未改進(jìn)和改進(jìn)的計(jì)算結(jié)果可以看出，在改進(jìn)后考慮了垂蕩運(yùn)動(dòng)后貨物的橫向縱向受力均增大了60%左右。如果忽略其影響，將造成安全隱患，后續(xù)可以通過適當(dāng)改變綁扎件強(qiáng)度計(jì)算中的安全系數(shù)或增加綁扎強(qiáng)度來消除其影響。

將表3中按照《貨物系固手冊(cè)編制指南》和《海上拖航指南》兩個(gè)指導(dǎo)文件中的計(jì)算方法得出的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，可以看出：如果不考慮垂蕩運(yùn)動(dòng)影響，則《貨物系固手冊(cè)編制指南》的橫向受力計(jì)算結(jié)果將比《海上拖航指南》的結(jié)果大將近60%，而改進(jìn)后兩種計(jì)算方法橫向受力計(jì)算結(jié)果十分相近；縱向上，改進(jìn)后的《海上拖航指南》計(jì)算出的傾覆力比《貨物系固手冊(cè)編制指南》增大近50%。

4 結(jié)論

以船體運(yùn)動(dòng)分析為基礎(chǔ)對(duì)《海上拖航指南》中傾覆力的計(jì)算方法進(jìn)行改進(jìn)，并通過實(shí)例計(jì)算與《貨物系固手冊(cè)編制指南》中的算法進(jìn)行對(duì)比，得出：

(1) 通過對(duì)比改進(jìn)前后的《海上拖航指南》傾覆力計(jì)算結(jié)果得出，垂蕩運(yùn)動(dòng)會(huì)對(duì)貨物所受的慣性力產(chǎn)生較大影響。如果依據(jù)《海上拖航指南》進(jìn)行綁扎計(jì)算，則在原有計(jì)算內(nèi)容的基礎(chǔ)上，需對(duì)船舶垂蕩運(yùn)動(dòng)進(jìn)行分析，并將其影響計(jì)入傾覆力的計(jì)算。

(2) 《貨物系固手冊(cè)編指南》與《海上拖航指南》中的計(jì)算方法相比：如果后者不計(jì)及垂蕩運(yùn)動(dòng)的影響，前者計(jì)算出來貨物橫向所受的傾覆力更大，需要綁扎件提供的系固力更大；考慮了垂蕩運(yùn)動(dòng)的影響后，兩者計(jì)算結(jié)果基本相同?？v向受力雖有差異，但是綁扎件提供的系固力在通常情況下都可保證貨物在縱向不發(fā)生位移，因此在實(shí)際操作中兩種計(jì)算方法均可。然而，《貨物系固手冊(cè)編制指南》中的計(jì)算方法不需要對(duì)船體運(yùn)動(dòng)進(jìn)行分析，需要的計(jì)算數(shù)據(jù)較少，方法較為簡單，計(jì)算時(shí)應(yīng)首選該方法，但是該算法限制條件較多，有些情況下可能無法使用，此時(shí)則應(yīng)考慮依據(jù)《海上拖航指南》計(jì)算。

在實(shí)際操作過程中，重大件貨物的綁扎方案在制定時(shí)具有一定的不確定性，如：現(xiàn)場(chǎng)情況是否允許布置足夠數(shù)量的綁扎設(shè)備；或現(xiàn)有的綁扎強(qiáng)度是否能滿足綁扎需要；亦或設(shè)計(jì)的綁扎方案是否在算法適用范圍內(nèi)；等。因此，當(dāng)一種計(jì)算方法無法滿足要求時(shí)，可考慮選用另一種方法進(jìn)行綁扎方案強(qiáng)度校核計(jì)算。

[1] 沈華. 重大件貨物剛性系固中的外力計(jì)算[J]. 中國航海, 2000(2):28-33.

[2] 楊守威. 裝載重大件貨物系固方式研究[D].武漢:武漢理工大學(xué),2010.

[3] 黃賢俊.重大件貨物海運(yùn)受力分析與IMO指南[C]//第五屆中國國際救撈論壇論文集，2008:228-231.

[4] 中國船級(jí)社.海上拖航指南[S].北京：人民交通出版社，2012.

[5] 中國船級(jí)社.貨物系固手冊(cè)編制指南[S].北京：人民交通出版社，2014.

[6] Capt Pawanexh Kohli.Cargo securing model manual[R].2004.

Calculation Method for Capsizing Force of Heavy and Length Cargo Securing Plan

WANG Ji1,2, WANG Zhaolin1, LI Rui1, LIU Yujun1, SONG Yilun3

(1.State Key Laboratory of Structural Analysis for Industrial Equipment, Dalian University of Technology, Dalian 116024, Liaoning, China; 2.Collaborative Innovation Center for Advanced Ship and Deep-Sea Exploration(CISSE), Shanghai 200240, China； 3.Dalian No.24 High School， Dalian 116001, Liaoning, China)

In order to avoid movement and overturn of heavy and length cargo caused by ship motion, which may cause cargo damage, the cargo should be secured when transported on the sea. The calculation method of capsizing force in CCS’ Guidelines for Towage at Sea is analyzed and the calculation method for inertia force which is a part of capsizing force is improved. Besides, according to the result of actual ship calculation, the methods of Guidelines for Towage at Sea before and after the improvement and the calculation method of Guidelines for the Preparation of Cargo Securing Manual are compared. The characteristics of the the two different calculation methods in the guidelines are analyzed.

heavy and length cargo; securing; capsizing force; Guidelines for Towage at Sea; Guidelines for the Preparation of Cargo Securing Manual

2014年遼寧省高等學(xué)校創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目(編號(hào)LT2014002)。

汪 驥(1978-)，男，副教授，博士，主要研究方向?yàn)榇芭c海洋結(jié)構(gòu)物先進(jìn)制造與管理技術(shù)。

U662

A