李平書，宋揚(yáng)，吳嘉蒙

(1.上海市船舶工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200011；2.中國船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院，上海 200011)

散貨船貨艙區(qū)橫艙壁一般采用槽形艙壁，且船長90 m以上的散貨船需要滿足共同結(jié)構(gòu)規(guī)范(CSR)[1]。CSR關(guān)于散貨船槽形艙壁強(qiáng)度評估載荷的要求比較復(fù)雜。

槽形艙壁的載荷是其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、計(jì)算和優(yōu)化的依據(jù)，正確的載荷計(jì)算更是其結(jié)構(gòu)安全性、合理性，以及先進(jìn)性的前提。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，需要根據(jù)載荷分布、類型及大小合理設(shè)置支撐、加強(qiáng)結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)合理的節(jié)點(diǎn)和工藝；尺寸計(jì)算時(shí)，需要根據(jù)不同點(diǎn)、不同類型的載荷，計(jì)算滿足不同要求的板厚，確定板厚及板縫位置，避免出現(xiàn)結(jié)構(gòu)安全性問題；結(jié)構(gòu)優(yōu)化時(shí)，載荷是優(yōu)化結(jié)果的決定性因素，正確的載荷才能得到最優(yōu)的槽形，從而實(shí)現(xiàn)輕量化設(shè)計(jì)。所以，載荷的計(jì)算方法和細(xì)節(jié)十分重要[2-5]。為此，結(jié)合實(shí)船計(jì)算對散貨船槽形艙壁描述性強(qiáng)度評估載荷的計(jì)算方法及關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析。

1 概述

基于CSR描述性要求的散貨船槽形艙壁強(qiáng)度評估，需要考慮完整(intact)和進(jìn)水(flooded)2種工況下的載荷。

完整工況下，裝載狀態(tài)一般分為均勻裝載和隔艙裝載兩大類，具體包括均勻輕貨滿載(HL)、均勻重貨部分裝載(HH)、隔艙輕貨滿載(AltL)和隔艙重貨部分裝載(AltH)4種裝載狀態(tài)；不同附加營運(yùn)特性船級符號的散貨船，裝載狀態(tài)會(huì)有所不同；對于重壓載貨艙艙壁，還包括重壓載工況(HB)、壓載水置換工況(BWE)和在港/試驗(yàn)工況(harbour/test)。載荷工況方面，既要考慮“靜”(S)設(shè)計(jì)載荷工況，又要考慮“靜+動(dòng)”(S+D)設(shè)計(jì)載荷工況。對于艙壁前后(或左右)2個(gè)相鄰艙室的載荷，應(yīng)分別進(jìn)行計(jì)算，取其大者作為完整工況下的槽形艙壁設(shè)計(jì)載荷。

進(jìn)水工況下，裝載狀態(tài)與完整工況的一致，但只考慮靜(S)設(shè)計(jì)載荷工況，按照前后2個(gè)貨艙單獨(dú)進(jìn)水進(jìn)行載荷計(jì)算，取前后艙室的最大合成壓力與最大合成力作為進(jìn)水工況下的槽形艙壁設(shè)計(jì)載荷。

基于CSR描述性要求進(jìn)行散貨船槽型艙壁強(qiáng)度評估時(shí)載荷的基本內(nèi)容見圖1。

圖1 基于CSR描述性要求進(jìn)行散貨船槽型艙壁強(qiáng)度評估的載荷

2 載荷計(jì)算方法

2.1 干散貨靜壓力

干散貨產(chǎn)生的靜壓力pbs(kPa)為

pbs=ρCgKC(zC-z)，取不小于0

(1)

式中：ρC為干散貨密度；g為重力加速度；KC為與休止角相關(guān)的系數(shù)；z為載荷計(jì)算點(diǎn)垂向坐標(biāo)；zC為基線到載荷計(jì)算點(diǎn)對應(yīng)的貨物上表面的高度，zC=hDB+hC，其中：hDB為雙層底高度；hC為貨物表面高度，取為內(nèi)底至散貨上表面的垂直距離。

貨艙幾何尺寸確定的情況下，艙壁任一點(diǎn)處的干散貨靜壓力大小主要由貨物密度和對應(yīng)的貨物表面高度決定。

2.2 干散貨產(chǎn)生的動(dòng)壓力

動(dòng)載荷工況，該動(dòng)壓力pbd(kPa)為

pbd=fβρC[0.25aX(xG-x)+ 0.25aY(yG-y)+

KCaZ(zC-z)]

對于z>zC，Pbd=0

(2)

式中：fβ為與載荷工況設(shè)定及設(shè)計(jì)波相關(guān)的浪向修正系數(shù)；aX、aY、aZ為貨艙重心處的縱向、橫向和垂向加速度；xG、yG為散貨艙重心的坐標(biāo)；x、y、z為載荷計(jì)算點(diǎn)坐標(biāo)。

貨艙幾何尺寸確定的情況下，動(dòng)載荷工況，艙壁任一點(diǎn)處的干散貨動(dòng)壓力主要由貨物密度、貨物表面高度，以及艙室重心加速度決定。

2.3 液體靜壓力

重壓載貨艙艙壁上的液體靜壓力pls(kPa)為

pls=ρLg(ztop-z)

(3)

式中：ρL為液體密度，取1.025 t/m3；Ztop為不包括小的艙口的液艙最高點(diǎn)的垂向坐標(biāo)。

2.4 液體動(dòng)壓力

動(dòng)載荷工況下，重壓載貨艙艙壁上的液體動(dòng)壓力pld(kPa)為

pld=fβρL[aZ(z0-z)+full-laX(x0-x)+

full-taY(y0-y)]

(4)

式中：full-l和full-t分別為用于考慮壓載貨艙充裝不足的縱向、橫向加速度修正系數(shù)，對于散貨艙均取為1.0；x0、y0、z0為載荷參考點(diǎn)坐標(biāo)。

動(dòng)載荷工況下，重壓載貨艙艙壁任一點(diǎn)處的液體動(dòng)壓力主要由艙室重心加速度和載荷參考點(diǎn)決定。

2.5 進(jìn)水貨艙垂直槽型橫艙壁上的靜壓力

該靜壓力pbf-s(kPa)為

1)當(dāng)zC>zF時(shí)

(5)

2)當(dāng)hDB≤zC≤zF時(shí)

(6)

式中：KC-f為與休止角相關(guān)的系數(shù)；ZF為進(jìn)水液面高度；perm與貨物類型相關(guān)的貨物滲透率；ρ為海水密度。

2.6 進(jìn)水貨艙垂直槽型橫艙壁上的靜力

該靜力Fbf-s(kN)為

1)當(dāng)zC>zF時(shí)

ρcg(zC-zF)KC-f)+Pbf-s-LE2zF-

hDB-hLS)

(7)

2)當(dāng)zC≤zF時(shí)

ρg(zC-zF)+Pbf-s-LE2zC-

hDB-hLS)

(8)

式中：SC為單位槽長；hLS為從內(nèi)底量起的底凳的平均高度；Pbf-s-LE為z=hLS+hDB處的靜壓力。

2.7 未進(jìn)水貨艙垂直槽型橫艙壁上的靜壓力

該靜壓力pbs(kPa)為

pbs=ρCgKC-f(zC-z)，不小于0

(9)

2.8 未進(jìn)水貨艙垂直槽型橫艙壁上的靜力

該靜力Fbs(kN)為

(10)

2.9 進(jìn)水貨艙垂直槽型橫艙壁上的合成壓力及合成力

作用在艙壁上任意一點(diǎn)的合成壓力pR(kPa)及作用在槽條上的合成力FR(kN)為

1)均勻裝載工況。

pR=pbf-s-0.8Pbs，F(xiàn)R=Fbf-s-0.8Fbs

(11)

2)隔艙裝載工況。

PR=Pbf-s，F(xiàn)R=Fbf-s

(12)

3 載荷計(jì)算關(guān)鍵技術(shù)處理

3.1 貨物表面高度

滿載貨艙的貨物表面高度(hc)由貨艙的幾何尺寸決定。

hc=hHPU+h0

(13)

式中：hHPU為所考慮貨艙中部從中縱剖線處的內(nèi)底至頂邊艙與舷側(cè)外板或內(nèi)殼(對于雙舷側(cè)散貨船)上交點(diǎn)的垂直距離；h0為由貨艙幾何尺寸決定的參數(shù)。

部分裝載貨艙的貨物表面高度(hc)不僅與貨艙的幾何尺寸相關(guān)，還和貨物質(zhì)量(M)與貨物密度(ρC)的比值相關(guān)，其計(jì)算公式為

(14)

式中：hcCL為中縱剖線處的貨物表面高度；B2為貨物最大寬度，均由貨艙的幾何屬性及M與ρC的比值決定。

M和ρC一般根據(jù)散貨船類型和裝載工況，由貨艙體積和裝載數(shù)據(jù)(可以從裝載手冊中得到)計(jì)算得到，完整工況和進(jìn)水工況的計(jì)算方法有差別。一般來講，滿艙裝載時(shí)，ρC≥1.0 t/m3；部分裝載時(shí)，ρC≤3.0 t/m3。

某實(shí)船計(jì)算得到的hc分布見圖2，由于完整工況與進(jìn)水工況下的M和ρC的計(jì)算方法的不同，重貨部分裝載工況時(shí)，兩者h(yuǎn)c也有差別。另外，由于散貨船為直通型單甲板結(jié)構(gòu)，且一般采取均勻貨艙劃分，所以對于同一艘散貨船，各貨艙的hc分布基本上相同。

圖2 實(shí)船計(jì)算hc分布

3.2 貨艙重心加速度計(jì)算

動(dòng)載荷工況下的貨艙重心加速度(aX、aY、aZ)由船舶主尺度、船舶運(yùn)動(dòng)參數(shù)、船舶重心加速度，以及對應(yīng)的加速度載荷組合系數(shù)(LCF)得到。

aX=-CXGgsinφ+CXSasurge+CXPapitch(zG-R)aY=CYGgsinθ+CYSasway-CYRaroll(zG-R)aZ=CZHaheave+CZRarollyG-CZPapitch(xG-0.45L)

(15)

計(jì)算流程見圖3。

圖3 貨艙重心加速度計(jì)算流程

首先，由船舶主尺度(L、B、D)和裝載工況(即吃水TLC)得到橫搖回轉(zhuǎn)半徑(Kr)、初穩(wěn)性高度(GM)和各加速度LCF(CXG、CXS、CXP、CYG、CYS、CYR、CZH、CZR、CZP)；然后，由Kr和GM先后計(jì)算得到船舶運(yùn)動(dòng)參數(shù)(橫搖周期Tθ、橫搖角θ、縱搖周期Tφ和縱搖角φ)和船舶重心加速度(縱蕩加速度asurge、橫蕩加速度asway、垂蕩加速度aheave、橫搖加速度aroll、縱搖加速度apitch)；最后，得到貨艙重心加速度。

菊花主要的病蟲害有葉斑病、白粉病和蚜蟲赤峽蝶、二星葉蟬、灰巴蝸牛、橘天牛、星白燈蛾等。葉斑病和蚜蟲發(fā)病期較長，需要定期噴灑殺菌劑進(jìn)人生殖期菊花容易發(fā)生白粉病，可噴灑波爾多液或代森鋅稀釋液防治，每噴一次，并時(shí)時(shí)觀察花蕾顏色，待顏色透亮后即可停止使用，此病如果不及時(shí)防治會(huì)危害花蕾，影響菊花質(zhì)量。蚜蟲的防治可噴灑魚藤精，還可利用蚜蟲對黃色趨向的特性，在黃色的塑料薄板表面涂上機(jī)油或捕鼠膠進(jìn)行誘捕。在病蟲害發(fā)生期應(yīng)減少澆水次數(shù)，以避免藥物作用減退。

3.3 重壓載貨艙液體動(dòng)載荷參考點(diǎn)

該參考點(diǎn)是艙室頂邊界范圍內(nèi)相對于艙室重心總加速度矢量Vj最大的點(diǎn)。

Vj=aX(xj-xG)+aY(yj-yG)+(aZ+g)(zj-zG)

(16)

式中：xj、yj、zj為艙室頂邊界范圍內(nèi)任意點(diǎn)的坐標(biāo)；xG、yG、zG為艙室重心坐標(biāo)；aX、aY、aZ為艙室重心加速度。

散貨艙的頂邊界范圍可以由圖4所示的一系列角點(diǎn)進(jìn)行表示，這些角點(diǎn)一般包括艙口圍頂邊線交點(diǎn)、艙壁處頂邊艙斜板的頂點(diǎn)和底點(diǎn)[6]。計(jì)算時(shí)，可以對包括這些角點(diǎn)在內(nèi)的頂邊界內(nèi)的所有點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算，找出Vj最大的點(diǎn)作為載荷參考點(diǎn)。

圖4 散貨艙角點(diǎn)

對多型散貨船的重壓載貨艙計(jì)算后發(fā)現(xiàn)，液體動(dòng)載荷參考點(diǎn)具有以下特點(diǎn)：①所有參考點(diǎn)均為艙口圍頂邊線交點(diǎn)；②參考點(diǎn)(RP)與動(dòng)載荷工況(DLC)對應(yīng)；③各裝載工況下的參考點(diǎn)相同；④不同船型，參考點(diǎn)分布也相同。見表1。

表1 重壓載貨艙液體動(dòng)載荷參考點(diǎn)分布

4 載荷特點(diǎn)

根據(jù)CSR對槽形艙壁垂向板厚區(qū)域劃分的要求可以確定載荷計(jì)算點(diǎn)的垂向坐標(biāo)，分別為：槽條下端、0.15lcg處和0.7lcg處；而橫向沒有要求，需要根據(jù)載荷橫向分布具體情況進(jìn)行劃分。因此，選取208K BC、82K BC、48K BC這3型典型的散貨船的槽形艙壁載荷進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)計(jì)算結(jié)果分析其橫向分布的特點(diǎn)。

4.1 設(shè)計(jì)載荷橫向變化趨勢

將各艙壁進(jìn)行等間距劃分(取艙壁半寬，0號位為中縱位置)，計(jì)算各槽條、各垂向計(jì)算點(diǎn)處的載荷，繪制各設(shè)計(jì)載荷工況下槽條設(shè)計(jì)載荷橫向變化曲線。由計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn)，散貨船槽形艙壁設(shè)計(jì)載荷橫向變化趨勢具有以下特點(diǎn)。

1)完整工況，S+D設(shè)計(jì)載荷工況下，無論非重壓載艙艙壁，還是重壓載艙艙壁，各垂向區(qū)域槽條設(shè)計(jì)載荷橫向(從中縱至舷側(cè)方向)均呈逐漸變大趨勢，見圖5。

圖5 設(shè)計(jì)載荷橫向變化趨勢(完整工況，S+D)

2)完整工況，S設(shè)計(jì)載荷工況下，槽條設(shè)計(jì)載荷橫向呈水平分布，無變化，見圖6。

圖6 設(shè)計(jì)載荷橫向變化趨勢(完整工況，S)

圖7 設(shè)計(jì)載荷橫向變化趨勢(進(jìn)水工況)

4.2 設(shè)計(jì)載荷橫向變化幅值

針對S+D設(shè)計(jì)載荷工況，取各艙壁、各垂向區(qū)域內(nèi)最大槽條設(shè)計(jì)載荷與最小槽條設(shè)計(jì)載荷的差值作為各垂向區(qū)域設(shè)計(jì)載荷的橫向變化幅值，分別繪制“不考慮重壓載工況”以及“考慮重壓載工況”兩種情況時(shí)的幅值圖。對比分析后發(fā)現(xiàn)，散貨船槽形艙壁設(shè)計(jì)載荷橫向變化幅值具有以下特點(diǎn)。

1)不考慮重壓載工況時(shí)，各艙壁設(shè)計(jì)載荷橫向變化幅值基本上一致，差別不大；而且，大型散貨船的設(shè)計(jì)載荷橫向變化幅值非常小。

2)考慮重壓載工況時(shí)，重壓載工況對艙壁載荷橫向幅值影響與船舶尺寸正相關(guān)—主尺寸越大，影響越大；對于大型散貨船，重壓載貨艙艙壁載荷橫向幅值較大，且前后重壓載艙壁的幅值差距也較大。

4.3 設(shè)計(jì)載荷極值

針對S+D設(shè)計(jì)載荷工況，取各艙壁、各垂向區(qū)域內(nèi)的最大槽條設(shè)計(jì)載荷作為其設(shè)計(jì)載荷極值，分別繪制“不考慮重壓載工況”以及“考慮重壓載工況”兩種情況時(shí)的極值圖。對比分析后發(fā)現(xiàn)，散貨船槽形艙壁設(shè)計(jì)載荷極值具有以下特點(diǎn)。

1)不考慮重壓載工況時(shí)，各艙壁設(shè)計(jì)載荷極值基本上相同，差別不大。

2)考慮重壓載工況時(shí)，重壓載艙壁載荷極值均有較大幅度增加，且前后重壓載艙壁極值相差比較明顯。

5 結(jié)論

1)散貨船槽形艙壁載荷計(jì)算的關(guān)鍵是貨物表面高度、貨艙重心加速度以及重壓載貨艙液體動(dòng)載荷參考點(diǎn)的計(jì)算。

2)不同裝載形式，貨物表面高度計(jì)算方法不同；相同散貨船，各貨艙的貨物表面高度基本相同。

3)貨艙重心加速度由船舶主尺度、船舶運(yùn)動(dòng)參數(shù)、船舶重心加速度和加速度載荷組合系數(shù)計(jì)算得到。

4)散貨船重壓載貨艙液體動(dòng)載荷參考點(diǎn)分布具有共性，與動(dòng)載荷工況對應(yīng)，且均為艙口圍頂邊線交點(diǎn)。

5)散貨船槽形艙壁設(shè)計(jì)載荷在橫向變化趨勢、變化幅值和極值方面具有一定的特點(diǎn)，可以在其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、計(jì)算和優(yōu)化時(shí)加以應(yīng)用。具體應(yīng)用方法有待進(jìn)一步細(xì)化。