江海直达散货船波浪载荷直接计算

王　伟， 张吉萍， 李国强

(浙江海洋学院 船舶与海洋工程学院， 浙江 舟山 316000)



江海直达散货船波浪载荷直接计算

王伟， 张吉萍， 李国强

(浙江海洋学院 船舶与海洋工程学院， 浙江 舟山 316000)

摘要采用SESAM软件系统，根据中国沿海波浪散布图，对江海直达散货船的波浪载荷进行短期预报和长期预报，对波浪诱导载荷响应及主要载荷参数的长期预报值进行分析，波浪载荷长期预报极值与海船规范计算值比较表明，规范计算公式无法对其波浪载荷作出合理评估，对于此类船型的波浪载荷应用直接计算法计算。

关键词江海直达船波浪载荷SESAM软件短期预报长期预报

Short-term predictionLong-term prediction

0引言

江海直达是指用同一条船经过江河和海洋水域将货物从起始港直接运抵目的港而不需使用中转船的一种运输方式。江海直达船能够直接由江入海或由海入江，减少了货物运输的中转环节，具有效率高、周期短、货损少等优点，具有良好的经济效益，是进行江、海联运的一种理想的水上运输工具[1]。近年来，随着造船业与航运业的迅速发展，长江航道条件的不断改善，改革开放的不断深入，长江流域及西部经济的不断发展，国际贸易和运输业的迅速发展，我国江海直达船舶得到了快速发展。

江海直达船由于受到航道和港口泊位吃水的限制，它只能是一种不同于传统江船和海船的浅吃水肥大型船[2，3]。只有这种船型才能解决长江航道水深限制和船舶载货量尽可能大的矛盾。然而浅吃水、大型宽的特点对船舶在海上的适航性相当不利，同时宽而扁的船体对结构的强度和刚度都有很大影响[4]。

江海直达船作为一种特殊船型，不同于常规的江船和海船，其航行过程要跨越江、海两级航区，必须能经受江、海两个不同气象水文条件对船舶结构安全性的考验。江海直达船在江河和海上航行时，遭受不同的波浪载荷，波浪周期和波高明显不同，其规律也不一样。在计算其设计载荷时，直接采用现有的内河船规范或海船规范中的经验公式是不合适的[5]。虽然，2008年CCS颁布了《特定航线江海通航船舶检验指南》[6](以下简称《指南》)(2008)，为江海直达船舶的设计提供了依据。但《指南》对江海直达船舶的航线有特定限制，对船舶尺度参数也有限定，且结构强度计算部分基本上都是参照《海规》进行计算的，其合理性还有待进一步研究。

波浪载荷是评估船舶结构安全性的关键载荷。本文采用大型水动力计算软件SESAM对一艘典型的江海直达散货船进行波浪载荷直接计算分析，为江海直达船的结构强度校核提供载荷参考。

1计算模型

1.1三维水动力计算模型

采用SESAM软件系统中的Patran pre模块将江海直达散货船的船壳外表面定义为湿表面，然后将其导入到HydroD模块中，波浪分析子模块Wadam会自动确认为面元模型(panel model)，将静水压力和波浪动压力映射到模型单元上。

进行波浪载荷的预报，不仅需要船体的外部几何形状特征，还需要船体的质量及其分布信息，只有建立了全船的质量模型，才能够计算船体的重力载荷和重力产生的力矩。沿船长将模型划分为若干段，根据实际船舶的重量分布资料，分别对各个分段定义不同的材料密度，保证质量模型的质量分布、质量总值、重心位置与实船相一致。货物、压载水等装载质量采用质量点单元模拟，根据其在船体中的位置施加在相关的节点上。整船模型质量与船舶静水浮态相匹配。

湿表面模型和质量模型构成了HydroD中的水动力计算模型，通过调整浮态使水动力计算模型的排水量和艏艉吃水与实船装载状态一致。水动力模型如图1所示。

图1　HydroD中水动力计算模型

1.2计算条件和参数选择

沿船长方向从艉垂线到艏垂线每间隔8 m取一个计算截面，共25个计算截面。

为了研究船体在不同浪向角波浪作用下的波浪诱导载荷规律，选取了0°～180°，间隔为15°，共13个浪向角。浪向角的方向定义为：沿船长方向从船艉指向船艏为0°，从船艏指向船艉为180°，从右舷指向左舷为90°。认为这13个浪向等概率作用在船体上。

参考规范要求，为了研究各种有意义的波长(频率)对船体的作用，波浪的频率范围按波长与船长比范围的0.2～3选取，步长取0.1，共29个。

该江海直达散货船航线海段处于近海海域, 波浪未充分发展，所以波浪谱取为JONSWAP谱。

2波浪载荷短期预报

参考ABS的DLA以及DNV的CSA-2要求，选取L/4剖面(SEC107)和3L/4剖面(SEC119)处的扭矩、L/2舯剖面(SEC113)处的垂向弯矩作为参考响应变量[7～9]。图2～图7分别给出了这三个剖面上在压载状态和均质满载状态下的传递函数。

根据求出的传递函数，可以得到，在压载状态和满载状态下，与主要载荷响应相对应的对船体最不利的波浪和传递函数峰值如表1和表2所示。根据它们可以用来确定结构强度计算用的设计波参数。

从表1和表2可以发现：对船体最不利的浪向为75°、90°、180°，最不利的波浪的波长与船长相近。满载状态下最不利波浪的频率小于压载状态下最不利波浪的频率。

图2　L/4截面扭矩(压载)　　　　　　　　　　　　　　　　　　　图3　L/2截面垂向弯矩(压载)

图4　3L/4截面扭矩(压载)　　　　　　　　　　　　　　　　　　　图5　L/4截面扭矩(满载)

图6　L/2截面垂向弯矩(满载)　　　　　　　　　　　　　　　　　　　图7　3L/4截面扭矩(满载)

表1　压载状态下对船体最不利的波浪及传递函数最大幅值

表2　均质满载状态下对船体最不利的波浪及传递函数最大幅值

3波浪载荷长期预报

在波浪诱导载荷长期预报中，需要根据船舶的实际航区选择合适的波浪统计资料作为计算的参考海况，每个海况用跨零周期Tz和有义波高Hs表示。江海直达散货船的航行区域为近海及长江内河航道，海上的海况较内河要恶劣得多，因此长期预报的计算海况采用中国沿海海浪长期统计分布资料[10]，以得到相对安全的计算结果。

表3为中国沿海海域波浪散布图，表中的每个数值代表了在997次统计中某个海况出现的次数。

表4和表5分别给出了压载状态和均质满载状态下L/4、L/2和3L/4这三个重要截面上主要载荷控制参数的重现期为10年、20年、25年、50年、100年的预报极值和超越概率水平10-8下的预报极值。

对表4和表5进行分析可以发现：

表3　中国沿海海浪长期分布资料

表4　压载状态下主要载荷参数长期预报值

表5　满载状态下主要载荷参数长期预报值

计算得到的超越概率10-8下的主要载荷控制参数的预报极值大于重现期20年的预报极值，甚至大于重现期25年的预报极值；对于在同一重现期和超越概率下载荷参数的预报极值，满载状态都大于压载状态；在所有载荷控制参数预报极值中船舯剖面处的垂向波浪弯矩预报极值是最大的；距船艉1/4截面处扭矩预报极值大于距船艏1/4截面处扭矩预报极值，两者的比值约为1.6。

图8～图11分别给出了在压载状态下和满载状态下的各主要载荷控制参数在超越概率10-8下的长期预报极值在不同浪向角上的分布。

图8　截面L/2垂向弯矩长期预报值　　在不同浪向的分布(压载)　　　　　　　　　　　图9　截面L/4和3L/4扭矩长期预报值　　在不同浪向的分布(压载)

图10　截面L/2垂向弯矩长期预报值　　在不同浪向的分布(满载)　　　　　　　　　图11　截面L/4和3L/4扭矩长期预报值　　在不同浪向的分布(满载)

从图中可以得到：船舯剖面垂向波浪弯矩预报极值出现在浪向角为0°和180°时，即船舶在迎浪和顺浪航行时，并随浪向趋近横浪时逐渐减小；压载状态下距船艉1/4截面和距船艏1/4截面处扭矩的长期预报值在不同浪向上的分布呈现单峰形式，在浪向角为90°附近出现极大值，说明本船在压载状态下横浪航行时扭转问题最严重；满载状态下距船艉1/4截面和距船艏1/4截面处扭矩的长期预报值在不同浪向上的分布呈现双峰形式，在浪向角为60°和130°附近出现极大值，说明本船在满载状态下斜浪航行时，扭转问题最为严重。

4波浪载荷直接计算与规范计算的比较

直接计算的波浪弯矩和剪力的分布如图12和图13所示。船体垂向波浪弯矩值在船舯剖面SEC113最大，剪力最大值出现在剖面SEC105和剖面SEC119，这与规范计算的波浪载荷最大值所在的剖面位置基本一致。

图12　船体剖面垂向波浪弯矩分布　　　　　　　　　　　　　　　图13　船体剖面剪力分布

对于船体剖面垂向波浪弯矩，CCS《钢质海船入级规范》[11](2012)给出了计算公式。

中拱波浪弯矩：

Mw(+)=+190MCL2BCb×10-3

中垂波浪弯矩：

(1)

式中：M为弯矩分布系数，船舯M=1；L为船长，m；B为船宽，m；Cb为方形系数；系数C为9.6276。波浪弯矩的计算还需考虑航区系数fr，取frMw。

对于船体剖面剪力，CCS《钢质海船入级规范》(2012)给出计算公式。

中拱波浪切力：

Fw(+)=+30F1CLB(Cb+0.7)×10-2

中垂波浪切力：

(2)

式中：F1、F2为切力分布系数。剖面SEC105切力分布系数F2为0.92，系数C为9.6276；剖面SEC119切力分布系数F2为0.9483，系数C为9.6276。

由于在同一重现期和同一超越概率下的载荷参数预报极值，满载状态都大于压载状态，因此只比较满载状态下的直接计算值。目标船型尺度比在海船规范要求范围内，将按规范公式计算的波浪弯矩和剪力值与直接计算值进行比较，见表6、表7。

表6　直接计算弯矩值与规范计算值的比较

[下转第42页]

Direct Calculation of Wave Loads for River-to-sea Bulk Carriers

WANG Wei, ZHANG Ji-ping, LI Guo-qiang

(Zhejiang Ocean University, Naval Architecture and Ocean Engineering,

Zhoushan Zhejiang 316000, China)

AbstractAccording to wave scatter diagram of chinese coastal area, short-term prediction and long-term prediction of wave loads for a river-to-sea bulk carrier are performed by SESAM software. Wave-induced loads response and long-term prediction values of main loads parameters are analysed, which are compared with the calculated values of rules. The comparation shows that the simplified formula of rules can not assess reasonably their wave loads and the direct calculation method has to be adopted to predict detailed wave loadings and distributions for this type of ships.

KeywordsRiver-to-sea bulk carriersWave loadsSESAM software

中图分类号U661

文献标志码A

作者简介：王伟(1981-)，男，副教授。

基金项目：国家国际科技合作专项项目(编号：2012DFR80170)；浙江省自然科学基金(LQ13E090002)资助。