集装箱船强度评估中运动和加速度相关公式的适用性分析

2022-07-19徐敏王刚王旌生

船海工程 2022年3期

徐敏，王刚，王旌生

(中国船级社上海规范研究所，上海 200135)

油船散货船共同规范(以下简称CSR和CSR-H)推出后之所以能够大大提高油船和散货船2种船型的结构安全，对造船业发挥了巨大的指导作用，其中一个重要原因就是，规范的制定符合了国际海事组织目标型建造标准的要求，并广泛应用了当前船舶科学发展前沿的新技术。如CSR的船舶运动和加速度公式就直接来源于国际船级社协会波浪载荷会议(以下简称AHG_WD-SL)的研究成果，CSR-H在此基础上也仅对纵摇运动和纵摇加速度作了少量局部修正，AHG_WD-SL公式对散货船和油船表现出良好的适用性，见图1。

图1 重心处垂荡加速度AHG_WD-SL公式结果和数值计算结果对比

由于近年来集装箱船海损事故不断，国际海事组织已确定未来将目标型建造标准应用到集装箱船，国际船级社协会各成员也陆续开展集装箱船目标型规范的研究和制定。为此，围绕AHG_WD-SL制定的船舶重心处运动和加速度公式能否适用于集装箱船规范中的强度评估这一关键问题，通过船长范围约150～400 m的15型集装箱船实船的水动力数值计算结果和AHG_WD-SL公式计算结果对比分析，表明，由于集装箱船具有不同于油船和散货船的船型特征，AHG_WD-SL给出的船舶运动和加速度公式计算结果与水动力数值计算结果之间差别较大，大部分公式不能直接应用于集装箱船的强度评估，需要进行修正，以下将作详述。

1 AHG_WD-SL公式简介

为满足油船和散货船共同规范的制定和工程应用需求，国际船级社协会波浪载荷会议(AHG_WD-SL)经过研究，确定以船舶基本参数如船长、船宽、初稳心高等作为输入参数，给出油船和散货船的运动及加速度简化公式，其中包括船舶重心处的横摇运动、纵摇运动、纵荡加速度、横荡加速度、垂荡加速度、横摇加速度和纵摇加速度的包络值简化公式。其中，纵摇角(°)的简化公式如下。

(1)

式中：为强度评估系数；为重力加速度；为规范船长。

由于公式较多，不详细列出，具体可见参考文献[1]。

2 重心处运动加速度数值计算方法简介

2.1 坐标系及船舶运动方程

1)原点。位于对称纵剖面、船长尾端与基线的相交处；

2)轴。纵向轴，向前为正。

3)轴。横向轴，向左为正。

4)轴。垂向轴，向上为正。

船舶在波浪中的摇荡运动属于刚体6自由度运动。由于船-波浪系统的阻尼效应，经过一段足够长的时间后，运动响应将趋于稳定的周期性变化状态，即所谓的“稳态”运动。在稳定状态下，船舶位移向量()}将作为以遭遇的频率为变化频率的简谐量，见式(2)。

()=ei=()ei

(2)

式中：(=1,2,…，6)为复数振幅，依次指纵荡、横荡、垂荡、横摇、纵摇、艏摇。

根据刚体动力学原理导出船舶在波浪中的运动方程的矩阵形式如下。

纳入2016年7月至2017年6月期间,我院接受治疗的脑出血患者114例作为本研究观察对象,所有患者均确诊为脑出血,同时处于急性发病期,出血量在15~30ml,符合甘露醇治疗的标准,排除糖尿病和肝肾功能障碍的患者。结合患者接受治疗的先后顺序分为对照组和观察组,两组分别57例。对照组患者中男性32例,男性25例,年龄在45~83岁,平均为59.8岁;观察组患者中男性33例,男性24例,年龄在45~82岁,平均为59.7岁。两组患者的年龄、性别构成以及病情严重程度等资料无数据差异。

(3)

式中：为刚体的质量矩阵；()为外力列向量，可按照势流理论进行计算。

2.2 波浪环境条件及计算工况

根据集装箱船的典型装载特点，在装载手册中选取达到或接近结构吃水的满载工况和初稳心高最大的正常压载工况作为计算工况。由于国际海事组织尚未正式发布集装箱船的目标型建造标准，为了使数值计算与AHG_WD-SL公式制定保持相同的波浪环境和船舶寿命，确定集装箱船的航行波浪环境为北大西洋海况，设计使用年限为25年。强度评估时，假定在极限波浪载荷条件下，船舶航速为5 kn，采用10超越概率水平。经过水动力数值计算并进行波浪谱分析和长期预报得到船舶重心处各运动和加速度分量的极限值，即运动和加速度的长期预报值。数值计算考虑特定的横摇阻尼并基于如下假定。

1)浪向角为0°～360°，浪向间隔为15°。

2)波浪角频率为0.2～1.8 rad/s，角频率间隔为0.05 rad/s。

3)谱分析采用Rec.34北大西洋波浪散布图。

4)其他如风、流、冰、温度等环境载荷忽略不计。