散货船的货舱分舱布置对总纵弯矩的影响研究

陈正敏，刘灿波

(中远海运川崎船舶工程有限公司，江苏 南通 226005)

0 引言

对大型船舶来说，影响船体结构强度或者说船体纵向构件尺寸的重要参数是静水弯矩[1]。在总布置设计时，通过合理的分舱优化可以有效地降低船体梁的静水弯矩，从而降低船体纵向构件的尺寸，最终降低空船重量。

有关分舱优化问题，业内也有相关研究成果。文献[1]中所述分舱优化方法是根据货舱的长度和个数作出多种货舱分舱方案，输出每种方案下的静水弯矩并进行比较，找出最优分舱方案。这种分舱优化方法类似穷举法，非常费时费力，效率较低。本文以某61 000吨级散货船为研究对象，对比完整工况和破舱工况下的静水弯矩曲线后，找出每一货舱货物质量改变对静水弯矩的影响规律，进而明确分舱优化的方向，并进行试验验证。

1 母型船的信息

本文以61 000吨级散货船作为母型船，进行分舱探讨。该船有5个货舱，各货舱长度相同，其主要尺度如下：

总长199.90 m，垂线间长197.00 m，型宽32.24 m，型深18.60 m，型吃水13.00 m。

61 000吨级散货船平面布置示意图见图1。

图1 61 000吨级散货船平面布置示意图

2 装载工况与静水弯矩

散货船的静水弯矩除了要满足散货船和油船共同结构规范规定的最小要求之外，还必须满足各装载工况下的弯矩要求。货舱的分舱及各种装载工况决定了最终的静水弯矩大小。

共同结构规范对装载工况有明确规定。本船的主要装载工况如下：空船/进坞/在港工况、普通压载/重压载工况、满舱均质装载工况、短途及多港载货工况、重货(密度3×103kg/m3)均质装载工况、重货(密度3×103kg /m3)隔舱装载工况。

基于以上工况，本船弯矩最大工况下的弯矩曲线见图2。

图2 最大弯矩工况的弯矩曲线

从图2可看出，对完整工况，其中拱弯矩的最大值的决定工况为重货隔舱装载工况和普通压载工况。其中，对重货隔舱装载工况，要求1号、3号、5号货舱装货，2号、4号货舱空，装货舱的装载率相同，所有压载舱均空。对普通压载工况，要求所有压载舱100%装满。

而中垂弯矩的最大值的决定工况为重货均质装载工况和重压载工况。 其中，重货均质装载工况要求所有货舱的装载率相同，所有压载舱均为空。重压载工况要求所有普通专用压载舱须装满，且风暴压载舱(3号货舱)也须装满。

对进水工况，其中拱弯矩和中垂弯矩的最大值的决定工况与完整工况基本相同，而且从图中也可以看出相对于完整工况，进水工况的弯矩有显著的增大。

为了体现出完整和破损进水工况下中拱和中垂弯矩的相对关系，现作出最大的弯矩曲线，见图3。

图3 完整工况与破舱工况最大弯矩包络线

从图3中可以看出最大中拱弯矩与最大中垂弯矩有一定的差值，存在一定的优化空间。如果能将中拱弯矩降低与中垂弯矩齐平或更小，则是比较理想的优化效果。

3 分舱与静水弯矩的优化

单舱破损时，破损舱室范围的浮力损失了，但这也可以当作此处浮力没有变化，其所对应货舱增加了和浮力相当的货物。而通过比较单舱破损和完整工况的曲线，可找出各货舱装货量对静水弯矩的影响规律。而对弯矩决定工况重货隔舱装载和重货均质装载，其装货量与货舱舱容是成正比的，即得到各舱室大小对船体梁静水弯矩的影响，从而可以判断本文调整舱室大小方法的合理性，明确分舱优化的方向。

本文将分别对图2中的各最大弯矩决定工况下单舱破损时的静水弯矩曲线，并和完整工况进行对比分析。

3.1 重货隔舱装载工况弯矩分析

重货隔舱装载工况的完整和各货舱单舱破损时的弯矩曲线见图4。在此工况下，1号、3号、5号货舱装货，2号、4号货舱空，装货舱的装载率相同。

图4 隔舱装载工况弯矩曲线

各货舱单独破损时的弯矩曲线分析如下：

(1)1号货舱破损时，可视作1号货舱货物量增加，同完整工况相比，明显加剧了船中的中拱现象，中拱静水弯矩有显著增加。因为该工况本质上也属于隔舱装载工况，所以曲线形状和完整工况相似。

(2)2号货舱破损时，可视作2号货舱由空舱变为装货状态，1号、2号、3号货舱形成连舱装载状态，减轻了2号货舱处的中拱现象，导致2号货舱处的弯矩波峰急剧下降。因为不再是隔舱装载状态，所以弯矩曲线的形状不再与完整工况相似。

(3)3号货舱破损时，可视作3号货舱货物量增加，减轻了船中中拱现象。同完整工况相比，中拱静水弯矩有显著减小。因为该工况仍然属于隔舱装载工况，所以曲线形状和完整工况相似。

(4)4号货舱破损时，可视作4号货舱由空舱变为装货状态，3号、4号、5号货舱形成连舱装载状态，减轻了4号货舱处的中拱现象，导致4号货舱处的弯矩波峰急剧下降。因为不再是隔舱装载状态，所以弯矩曲线的形状不再与完整工况相似。

(5)5号货舱破损时可视作5号货舱货物量增加，略微加剧了中拱现象。同完整工况相比，静水弯矩有少许增加。

从图4及以上分析可以得出， 1号和3号货舱舱容(装货量)的大小对静水弯矩的影响最大；减小1号货舱舱容或增大3号货舱舱容(装货量)可以明显减轻中拱现象，显著降低静水弯矩。5号货舱舱容(装货量)大小对静水弯矩的影响较小。

3.2 重货均质装载工况弯矩分析

重货均质装载工况的弯矩曲线见图5，此工况属于各舱装载率相同的均匀装载工况。

图5 重货均质装载工况弯矩曲线

各货舱单独破损时的弯矩曲线分析如下：

(1)1号货舱破损时，可视作1号货舱货物量增加，加剧了船中中拱。同完整工况相比，船舶由中垂状态变成中拱状态。

(2)2号～5号货舱破损时，由于各破舱货物量的增加，加剧了中垂现象，导致中垂静水弯矩有显著的增加。

从图5及以上分析可以得出： 3号、4号货舱破损时为决定工况，要减小中垂弯矩，可减小3号、4号货舱舱容(装货量)。若减小3号货舱，虽然中垂弯矩会减小，但会增大重货隔舱装载工况的中拱弯矩，故不可取。而当4号货舱舱容(装货量)减小，相应的5号货舱(装货量)增大时，对中拱影响很小，但显著减小中垂弯矩。所以3号货舱舱容大小不变，4号货舱舱容(装货量)减小、5号货舱舱容(装货量)增大是可行的。

3.3 重压载工况弯矩分析

重压载工况的弯矩曲线见图6，该工况所有压载舱满，3号货舱(风暴压载舱)也装满压载水。

从图6可看出，除了3号货舱破损时，船舶呈现中拱状态外，其他货舱破损时均呈现中垂状态。

各货舱单独破损时的弯矩曲线分析如下：

(1) 1号货舱破损时，可视作1号货舱货物量增加，会加剧船中中拱，减轻中垂现象。同完整工况相比，中垂弯矩有明显减小。

图6 重压载工况弯矩曲线

(2) 2号货舱破损时，可视作2号货物量增加，此时，2号、3号货舱形成连舱装载状态，加剧了3号货舱处的中垂现象。同完整工况相比，中垂弯矩有一些增大。

(3) 3号货舱破损时，虽然3号货舱范围内的浮力损失了，但同时3号货舱内压载水也同样损失了，损失的压载水远大于损失的浮力，最终相当于3号货舱货物量减轻了，所以减轻了中垂现象，最终出现了中拱现象。

(4) 4号货舱破损时，和2号货舱破损时类似，此时，3号、4号货舱形成连舱装载状态，加剧了3号货舱处的中垂现象。同完整工况相比，中垂弯矩有明显增大。

(5) 5号货舱破损时，可视作5号货舱货物量增加，会加剧船中中拱，减轻中垂现象。同完整工况相比，中垂弯矩有少许减小。

从以上分析可得出，4号货舱破损为主要决定工况，2号货舱破损为次要决定工况。减小4号货舱舱容对减少中垂弯矩有利。减小2号货舱舱容虽然可减少一些中垂弯矩，但1号货舱舱容相应的增大会导致隔舱装载工况时中拱弯矩显著增大，所以减小2号货舱舱容不可取。

综合上文分析，可以推测得出以下结论：

3号货舱舱容保持不变，减小1号货舱舱容(2号货舱舱容相应增大)，增大5号货舱舱容(4号货舱舱容相应减小)会达到降低中拱和中垂静水弯矩的目的，船体梁静水弯矩会进一步优化。

4 推测结论的验证

根据推测结论，现保持3号货舱舱容不变，减小1号货舱并增大5号货舱，再输出相关决定工况的弯矩曲线。

4.1 重货隔舱装载工况弯矩

货舱调整前后重货隔舱装载工况的弯矩曲线见图7，其中：实线为初始的弯矩曲线，虚线为重新分舱后的弯矩曲线。从图中可以看出，决定工况1号舱破损的最大弯矩有一定程度的减小，这符合前面的推论。

图7 隔舱装载工况货舱调整前后弯矩对比

4.2 重货均质装载工况弯矩

货舱舱容调整前后重货均质装载工况弯矩曲线见图8。从图8可以得知，决定工况3号舱破损的最大弯矩因为3号货舱舱容无变化，所以弯矩曲线几乎没有变化。决定工况4号舱破损的最大弯矩在4号货舱舱容变小后有一定程度的减小，这符合前面的推论。

图8 重货均质装载工况货舱调整前后弯矩对比

4.3 重压载工况弯矩

重压载工况的弯矩曲线见图9。从图9可以得知，决定工况4号舱破损的最大弯矩在4号货舱舱容变小后有一定程度的减小，这与前面的推论是一致的。

4.4 最大弯矩包络曲线

重新分舱前后的最大静水弯矩包络曲线见图10。从图10可以得知，重新分舱后最大弯矩相对于初始有约8%的减小，达到了优化的目的。

图9 重压载工况货舱调整前后弯矩对比

图10 货舱调整前后最大弯矩曲线对比

5 结语

货舱的分舱布置对总纵弯矩的大小有重要的影响，而在分舱优化设计中，给出多种分舱方案再一一对比选优的方法比较耗时耗力，特别在短周期的设计中不太现实。本文在货舱均匀分舱的基础上，基于设计经验，从完整工况和破舱工况的本质着手，通过对完整和破舱工况的弯矩曲线进行比对分析，从中找出各货舱货物量变化对船体梁静水弯矩影响规律，从而明确各货舱长度如何调整才能降低船体梁静水弯矩，达到优化的目的。 本文所阐述的分析方法，避免了多种分舱方案，对货舱的分舱布置设计，具有积极的参考意义。