武汉—舟山江海直达汽车滚装船型论证研究

骆行有 王丽铮 张 伟

(武汉理工大学交通学院1) 武汉 430063) (武汉规范研究所2) 武汉 430000)

武汉—舟山江海直达汽车滚装船型论证研究

骆行有1)王丽铮1)张 伟2)

(武汉理工大学交通学院1)武汉 430063) (武汉规范研究所2)武汉 430000)

为解决车辆损坏、船舶安全、转运周期长、成本高、运输效率低和港口拥挤等问题，提出了江海直达船型论证方法.从市场需求出发，分析了对直达通航环境，结合滚装船船型和布置特点，对船型进行波浪中运动数值模拟分析，研究船型在不规则波下的运动响应和甲板上浪淹湿问题，确定滚装船船型尺度与运动响应和上浪情况的关系.将模拟计算结果引入船型论证，提出船型的耐波性评价指标和经济性评价指标，论证得到了满足市场要求和通航环境要求的优秀船型.

江海直达；汽车滚装船；数值模拟；耐波性；甲板上浪；船型论证

0 引 言

当前长江经济带汽车滚装运输大多采用水路三程运输的方式，需要在宁波—舟山地区海船转海船、上海—洋山地区进行海船转江船或江船转海船转运，存在车辆损坏、船舶安全、转运周期长、成本高、运输效率低和港口拥挤等问题，制约了汽车滚装运输的发展，采用江海直达滚装运输的方式能很好的避免这些问题[1-2].

现有江海直达船大多按海船设计，对结构要求过严从而导致空船重量过大，不仅使船舶造价增加，而且在营运过程中增加了船舶的燃油消耗和污染排放，造成不必要的浪费；江海直达船型吃水较小，在波浪中的运动会出现螺旋桨出水和埋首等问题，当船舶在波浪中产生垂荡和首尾摇时，就会发生船首底部砰击及船底的平面砰击现象，容易出现海浪中的失速和首部抨击等问题，为解决改善这些问题，提出江海直达船型论证方法.

1 波浪中船舶运动模型与数值模拟分析

用流体力学理论研究船舶在波浪中的摇荡运动，需引进一些基本假定，分析船舶在波浪中摇荡运动受到的6种力的作用，可以把船舶摇荡运动分成3个基本耦合方程组:①纵荡运动；②纵向运动，即船体纵轴铅锤面内的纵摇和垂荡耦合运动；③横向运动，即横摇、横荡和首摇的耦合运动.在船舶6个自由度模式中对应纵荡、横荡、垂荡、横摇、纵摇和首摇的位移分别用xj，j=1，2，3，4，5，6来表示，x1，x2，x3具有长度因次，x4，x5，x6具有角度因次[3-5].根据牛顿定律，建立船舶受力平衡方程式，带入各种力的具体表达式，可将6自由度运动方程式分成3组：

1) 纵荡运动方程式

(1)

2) 纵向运动方程组

(2)

3) 横向运动方程组 根据切片理论研究船舶在顶浪航行时的纵摇和垂荡的耦合运动，取切片的平均吃水作为等效波的深度，等效波面方程为

流体作用力有，浮力F1、兴波阻力F2和附加惯性力F3，于是整个船体上的垂荡力和纵摇力矩为

(4)

(5)

根据牛顿第二定律，惯性力和外力平衡，船体垂荡和纵摇运动方程为

(6)

由此解方程可得单位波幅垂荡位移和纵摇角为

(7)

(8)

船体上任意位置相对于水面的位移

(9)

则引起甲板上浪的条件为

(10)

式中：f′(X)=F-fs为静水航行时的有效干舷.

基于CFD 软件的船舶水动力学方面的数值模拟，因为具有费用低、无触点流场测量、无尺度比效应、可获得较为详细的流场信息等优点，应用范围越来越广，船舶CFD 的应用能提高设计质量、缩短设计周期、降低设计成本，因而得到了普遍的重视，是国际船舶界十分活跃的前沿研究课题[6-7].

2 江海直达船型论证新方法

江海直达船舶应既能在沿海和近洋航区航段安全航行与营运，也能在内河长江航段航区安全航行与营运，船舶必须能满足在外海和内河航行的要求，即船型尺度要求、船型布置要求、型线和首尾线型的要求、船舶性能要求及装载和系固的要求.船型论证方法见图1.

图1 江海直达汽车滚装船船型综合论证技术路线

3 基于AQWA的江海直达船舶波浪运动数值模拟

3.1 论证船型尺度和要素分析

从市场需求来看，未来长江流域汽车出口量每年达30万辆以上，内贸车江海联运达30万辆以上，按江海直达滚装运输20%的份额，年航次数20次计算，所需的船舶运力规模约为3 000 CEU.

分析内河航段对船型的限制，主要有航道条件和维护水深、港口和码头限制条件、通航建筑物和桥梁限制等，可得武汉—洋山现在和可预见性未来的航运限制条件，见表1[8].

根据搜集的型船资料分析汽车滚装船船型主尺度和主要要素的特点，滚装船载车量与主尺度的近似关系，从车辆可行性的布置方案来看，载车量与排车的方式，即每层甲板排列的行数X、列数Y和汽车甲板层数Z关系见图2～3和表2.

表1 武汉—洋山现在和可预见性未来的航运限制条件m

载车甲板长度：Lc=X×lc+(X-1)a+2b

载车甲板宽度：Bc=Y×bc+(Y-1)c+2b

通航净空高：16

式中：lc为单位车位长度，取4.7 m；bc为单位车位宽度，取1.8 m；a为车位之间纵向间隙，通常最小为0.3 m，当12

由此可估算船舶尺度与车位布置方案的总载车量的关系，即

图2 载车量与船长的近似关系回归

图3 载车量与船宽的近似关系回归

C/CEUXYZ800～100017～20961000～120020～22961200～150022～24971500～180024～259～107～8

C=XYZ=(L-0.7)(B-0.8)Z/10

(11)

在当前和可见性未来航道条件下，根据市场需求和以上分析，船型可行性方案见表3.

表3 江海直达汽车滚装船型可行性方案参数范围

3.2 波浪环境分析与模型参数计算

上海—舟山海洋航区主要是遮蔽和沿海航区，很小部分是近海航区，舟山海区属沿海/近海海域，波浪未经充分发展，数值模拟计算中波浪谱取为JONSWAP谱，根据目前收集的长江—舟山水域的风浪资料和实测波浪数据，选取波高3.5 m和4 m两种海况计算，波浪特征周期的选取，主要针对系列船进行船舶耐波性运动预报，通过船舶相对波面运动严重情况，确定最不利的波浪特征周期，计算波浪参数见表4.

滚装船舶模型参数计算，船舶重量与重心估算采用分项重量估算方法，分为船体、上建、舾装、机电和货物5项重量，即

表4 计算波浪参数

(12)

(13)

1) 船体钢料重量与主尺度的指数关系式是实用中根据统计实船重量回归分析得到的基本关系式，不同类型船舶回归后指数值不同，查阅船舶设计实用手册可得布置性船舶的值，即

(14)

式中：D1为计入舷弧和舱口围壁容积影响的相当型深；CEH为系数，可用母型船数据计算而得；CBD为计至型深的方形系数，如有球首CEH可减少0.004.

(15)

2) 上层建筑重量重心估算 汽车滚装船上层建筑很发达，分为前面的生活居住舱室、驾驶室等和后面的载车甲板，为了获得最大的甲板面积来装载车辆，也为了便于汽车的滚装，载车甲板不设舱壁，仅在需要加强的位置设置2～3排支柱，载车甲板之间通过斜坡跳板连接，斜坡一般设置在船中，支柱一般是沿船中对称布置，因此载车甲板近似为矩形，前段的生活居住舱室、驾驶室等，可按其具体位置单独估算，其中首楼的重心高度可取其层高的0.8～0.85(外飘大者取大值)，对尾部的甲板室可取层高的0.7～0.82(内部钢围壁较多时取小值)，根据滚装船型的特征及参照母型船的特点，汽车装载甲板层高取2.5 m，上层建筑居住舱室的层高根据规范和舒适条件，也可取层高2.5 m，每层甲板重量由甲板面积和侧面积估算钢材体积和重量，叠加得到上层建筑重量，即

3) 舾装重量和重心估算 舾装重量所包括的项目十分琐碎，船体木作及敷料的重心可取其面积的形心处，各种设备(舵、锚、系泊、救生等)重心可根据具体布置的位置来确定.一般滚装货船的舾装重量和重心高度可粗略估算，采用文献[9]中的统计估算公式计算舾装重量，由于滚装船型汽车装载甲板和围壁没有太多舾装设备，因此计算时CO取0.98，zgO系数取1.05，计算的稳性储备偏于安全.

(17)

式中：CO=0.98～1.28,zgO=(1～1.05)D1.

4) 机电设备重量和重心高度估算 根据《船舶设计原理》中的统计，机电设备重量可近似的按主机功率的平方根的关系进行换算，一般运输船舶机电设备重心高度的平均值为0.55D，即

WM=CM(PD/0.735 5)0.5

zgM=0.55D

(18)

5) 装载汽车的重量重心估算 根据汽车配载和装载原则，汽车一般左右对称布置，假设的汽车重心在汽车的几何形心位置，由第i辆车的重心位置坐标(Gxi，Gyi，Gzi)，第i辆车的几何尺寸Li和Bi和第i辆车的总吨位Wi，可知所有汽车的重量和重心位置，计算车辆取市场上车辆平均重量1.7 t，m是总载车数，n是载车甲板层数.

(19)

船体模型惯性矩计算可根据一般船舶波浪运动分析计算时采用的估算方法，Kxx=C2B；Kyy=0.25L；Kzz=0.25L，系数C2与船舶类型有关，货船满载时C2取0.32～0.35，横摇附加惯性矩：Jxx=0.25Ixx.

3.3 数值模拟计算与结果分析

基于ANSYS的AQWA平台对计算船型分析，首先根据某1 500 CEU江海直达汽车滚装船作为母型船进行型船型线变换得到计算船型的型线，在RHINO中进行船体型线建模，对模型预处理和网格划分，输入模型重量、重心等参数，加载波浪环境资料和边界条件，设置好计算方法和控制参数，最后对计算结果进行分析，其分析流程和计算结果见图4～8.

图4 波浪中船舶运动数值模拟分析流程

图5 船体模型和网格划分

图6 船舶波浪运动响应与船长、船宽的关系

图7 船舶波浪运动响应与吃水的关系

图8 甲板上浪与波浪参数及干舷高度的关系(L=120 m)

由图4～8可知，船舶的运动与波浪周期、波幅和船舶尺度有关，船型参数(L,B,T)对各运动参数(垂荡、纵摇和纵荡)的运动幅值有影响，船长主要影响船舶纵摇和垂荡，船宽主要影响稳性和横摇，船长、吃水和干舷主要影响甲板上浪，该尺度内的滚装船型垂荡位移可达1.5 m，横摇角达20°，纵摇角达2°；在最不利周期下，首柱处甲板上浪概率和每小时上浪次数随着船长的增加都呈减小趋势，上浪概率和次数随着波高的增加而急剧增加，甲板上浪对波浪特征周期和波高比较敏感，对同一波高，均有最不利的波浪特征周期；波高越大，甲板上浪概率和每小时上浪次数越大，因此在进行该种船型的研究和论证中必须考虑其耐波运动和甲板上浪问题，否则论证的船型可能在海上航行时出现运动幅度过大和甲板上浪进水而导致船舶翻沉.

根据数值模拟计算得到的船舶摇荡运动响应曲线，回归分析得到垂荡位移与船长的函数关系、横摇角与船宽的函数关系、纵摇角与船长的函数关系以及甲板上浪概率与干舷的关系如下，由此进行考虑江海直达滚装船耐波性和干舷安全的船型论证.

垂荡位移：zα=-0.005 3×L+0.968 9 m

横摇角：θα=(-0.310 4×B+16.35)×π/180°

纵摇角：φα=(-0.030 4×L+5.099 1)×π/180°

4 考虑江海直达船耐波性和干舷安全的船型论证

确定论证参数的范围，船长L：120～150 m，每5 m一档，船宽B：20～26 m，每2 m一档，吃水T：3.7～4.6 m，每0.3 m一档，干舷F：4～6 m，每1 m一档，浮力与重力平衡、规范稳性和内河通航限制条件等作为约束，船体绝对运动幅值作为耐波性能评价指标，船价作为经济性能评价指标，对共336种组合船型运用上述方法进行论证，确定较优船型.论证得到的综合指标较优船型排序见表5.

表5 综合指标排序前5的较优船型

耐波性能指标越低表明船舶在实际波浪航行时的垂荡、纵摇、横摇运动幅度越小，甲板上浪概率越低，经济性指标越低表明船价越低，船舶更经济，论证的优秀船型可供市场选择和参考，论证研究的方法也可作为江海直达船型设计和研究的依据.

5 结 论

1) 汽车滚装转运方式存在诸多问题，江海直达船型有更强的适应性，但当前的江海直达船按照海船规范设计营运，结构重量大，不能完全发挥江海直达船的优势，提出新的江海直达船型论证研究方法，论证中考虑船型实际耐波性能和干舷安全性能，较优干舷能保证安全的同时减轻结构重量，使论证船型适航性能和经济性能更加优良.

2) 不同的波浪条件，船舶的运动响应也不同，船长主要影响纵摇、垂荡和纵荡运动，且适当增加船长会改善纵向运动，但会影响经济性，船宽则主要影响稳性和横摇，增加船宽利于稳性和横摇，但影响快速性，根据实际航行条件论证新的船型，选取合适的船型参数十分有必要，滚装船因其运输方式的特殊性，具有特殊的型线和布置特点，论证得到的综合性能优良的船型可供市场选择，提出的江海直达滚装船论证新方法也可借鉴到其他江海直达船型论证研究中.

[1]ZORAN R. River-sea shipping-competitiveness of various transport technologies[J]. Journal of Transport Geography，2011，19(2)：1509-1516.

[2]SURENDRAN S, LEE S K, VENKATA J, et al. Nonlinear roll dynamics of a Ro-Ro ship in waves[J]. Ocean Engineering,2005,32：1818-1828.

[3]CLAUS D S, JAIME F O. EFD and CFD for KCS heaving and pitching in regular head waves[J]. Journal of Marine Science and Technology，2013(4)：168-175.

[4]孙海涛.船舶波浪性的数学模型及在滚装船上的应用[D].大连：大连海事大学，2002.

[5]莫建.波浪中船舶六自由度操纵运动数值仿真[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学，2009.

[6]李俊敏,陈顺怀.江海直达顶推船组波浪联结力的影响要素研究[J].武汉理工大学学报(交通科学与工程版),2008(3):578-585.

[7]黄作栋,杨斌方,王化明.江海直达船发展概况及船型特点研究[J].中国水运,2015(8):1589-1695.

[8]侯圣贤.迎浪航行时船舶垂荡纵摇运动建模与仿真[D].大连：大连海事大学，2015.

[9]陈可越.船舶设计实用手册：船体分册[M].北京：中国交通科技出版社，2007.

Research of Sea-river-through Pure Car Truck Carrier from Wuhan to Zhoushan

LUO Xingyou1)WANG Lizheng1)ZHANG Wei2)

(SchoolofTransportation,WuhanUniversityofTechnology,Wuhan430063,China)1)(WuhanInstituteofSpecification,Wuhan430000,China)2)

A new method of sea-river-through ship demonstration is put forward to solve the problems such as vehicle damage and ship security, long logistics cycle and high cost, low efficiency and port congestion. It starts with market demand and navigation environment analysis combined with the characteristics of Ro-Ro ship and arrangement. A proceed research of numerical simulation of wave-ship interaction dynamics is based on potential flow theory so that we could research the relationship between ship motion and its scale, and the relationship between green water and freeboard. The simulation results are introduced into ship demonstration and the ship which meets the requirement of market and navigation environment is finally determined.

sea-river-through; PCTC; numerical simulation; seakeeping; deck wetness; ship demonstration

2017-01-24

U662

10.3963/j.issn.2095-3844.2017.02.025

骆行有(1990—)：男，硕士生，主要研究领域为船舶数字化设计论证和新船型开发