基于概率破损稳性的集装箱船优化分舱研究

2015-01-01孙家鹏夏益美

船舶与海洋工程 2015年1期

孙家鹏，夏益美

（上海船舶研究设计院，上海 201203）

0 引言

通过对我院近年设计的一系列集装箱船的研究发现，对于3000箱以下的常规支线型箱船，其结构吃水时的装载能力（重箱数，一般以14t均箱数考核）往往取决于破舱稳性而不是完整稳性。重箱数是船东最为关心的指标之一，因此如何提高分舱指数就显得尤为重要。

目前干货船和客船的破损稳性均按SOLAS 2009[1]进行评估，该方法相对于2009年1月1日之前铺设龙骨的船所使用的SOLAS92方法更为严格。从破损稳性最新的研究动态[2,3]可以看出，SOLAS 2009在基本概念上没有大的更新（如分舱指数、破损概率、生存概率等），因此中小型箱船的破损稳性问题将在今后很长一段时间内依然存在。

除了调整初始状态，改变开口位置等简单的方法外，提高分舱指数最有效的方法是合理的分舱。由于计算的复杂性，分舱型式一般在签订合同之后不可能再更改，因此该工作必须提前到前期的研发设计阶段来做。

已有人对不同的船型做了破损稳性的分析。文献[4]中对驳船的优化分舱做了3个变量的分析，其方法是值得借鉴的，然而，其他船型不能照搬，其一，它是基于SOLAS92规则；其二，驳船的分舱具有任意性。已发表的对于SOLAS 2009的研究主要还是针对新老规范计算的比对[5～8]，对如何优化分舱没有过多地提及。

综上，针对支线型集装箱船的特点，按SOLAS 2009规范的计算方法，对大量的计算结果进行变量的敏感度分析，总结出各个因素对分舱指数（以下简称A值）的影响，使设计者在前期研发设计时心中有数，有的放矢，是一件很有意义的工作。

1 计算模型及工具

用于研究的初始模型为我院研发设计且已获订单的某2500TEU节能环保支线型集装箱船，其主要参数如表1所示，初始状态如表2所示。

基本计算由NAPA（the Naval Architectural Package）软件完成。NAPA是芬兰某公司的一个著名的船舶性能设计软件，目前多数知名船级社如CCS、GL、LR、NK等均使用该软件做稳性方面的审图工作。

表1 主要参数

表2 计算的初始状态

2 鲁棒性分析

破损稳性的计算目前虽已有比较成熟可靠的计算软件，但是从修改模型，布置开口位置，划分分区直至往往几百种破损组合的计算仍需要大量的时间。

对该船的原始模型进行简化，如艉部的油舱并入机舱，忽略货舱区的通道，合并艏部的储藏室等，从而将含有120多个分舱的模型简化为只有50个分舱的模型。简化后的模型如图1所示。

原模型及简化后模型的计算结果如表3所示。从结果来看，在方案设计阶段使用简化模型进行计算分析是可行的，同时更为重要的是，简化的模型为二次开发提供了可行性，可以通过参数化设计在短时间内得到大量的计算结果。

图1 简化模型

表3 A值的前后对比

另外，基于以上的简化模型，在保持排水量不变的情况下，保持箱船的特性，在一个小范围内进行了简单的型线变换，可以得到与下文相同的结论，因此本文所给的结论是有参考意义的。

3 分舱优化

支线型箱船首部和尾部长度比较固定，艏部长度主要考虑锚系泊的布置及防撞舱壁长度的要求，艉部长度主要取决于机舱及艉系泊的布置。因此，优化分舱主要考虑货舱的数量及位置、二甲板的高度、边舱的宽度、双层底的高度等。

3.1 货舱数量及位置

3.1.1 水密横舱壁数量的影响

箱船为布置型船，货舱长度不能随意划分，一般以4 bay或2 bay的长度进行划分。

为便于研究问题，先将货舱区域等距分化为3～9个货舱，压载舱及边舱的数量与货舱数目相对应。从图2可以看出，当等距横舱壁数量从3个增为4个时，A值急剧的增大（通过对破损详情分析发现，主要原因为结构吃水时单区破损的贡献增大）；当横舱壁数量从7个增加为8个时，A值有较大的提升（主要源于2区连破的贡献增大），当货舱数目超过8个，A基本保持不变。

考虑到要求的分舱指数，初步认为4～6个货舱是合适的，联合考虑合理的布置，将该船分为5个货舱，即4个约4 bay长度的货舱及1个约2 bay长度的货舱。

3.1.2 水密横舱壁位置的影响

根据 SOLAS 2009，艏艉破损概率最大，中间破损概率相同[9]。箱船首部型线非常削瘦，货舱容积相对小得多（如本模型2 bay长度的艏部货舱只有船中部同样长度货舱容积的40%），因此为了能获得较大生存概率S，适当地增加艏货舱的长度是有益的。

基于图2中9个等距横舱壁的模型，从船首向船尾方向，分别减少一个水密横舱壁来分析其变化对A值的影响。从图3中可以看出最为“敏感”的位置是在货舱区的舯前部分而不是艏货舱。

图2 不同数量的等距横舱壁对A值的影响

图3 不同位置减少一个横舱壁对A值的影响

将5个货舱的各种情况组合进行计算，其结果如表4所示。其中Case 1表示1货舱为2 bay长度的小舱，其余货舱为4 bay长度的大舱，以此类推。从结果可以看出，1货舱较小时A值最小，从而进一步验证了上述结论。当然，最终的分舱还要综合考虑克令吊的布置、危险品的装载等情况。

表4 不同货舱组合的A值

3.2 边压载舱宽度

从图4中可以看出，适当地减小边舱宽度会带来较大的A值。通过对破损详情分析发现，边舱宽度较小时，当一个或几个边舱单独破损时船舶会“生存”；边舱宽度较大时，则由于不对称进水量的增多导致了S值的下降。

需要注意的是，箱船边舱的宽度比较固定，考虑到经济性，通常不会为了提高破损稳性而去改变边舱的宽度。从上面的分析可以得出，减小边舱长度（例如将一个货舱区域的边舱一分为二）可以降低不对称进水量，从而提高分舱指数A。

3.3 二甲板的高度

二甲板视为水平分隔。根据SOLAS 2009，若水平分隔低于相应的初始状态的吃水，则认为是小范围破损，对于A没有贡献。从图5中可以看出，当水平分隔大于结构吃水11.5m时，水平分隔对于3种状态的破损均有益处。当水平分隔高于结构吃水一定程度时，曲线下降，表明水平分隔以下边舱（组）单独破损的进水量过大，S值开始降低。