江海通航散货船波浪载荷研究

张文华 刘光明 吴卫国

（中国船级社武汉规范研究所1） 武汉 430022） （武汉理工大学交通学院2） 武汉 430063）

0 前 言

江海通航因减少了中转环节、节约运输成本、控制了环境污染并降低了货损而越来越受到广大运输企业的重视，开发江海通航船型、制定相应的规范标准是当今亟待研究解决的问题.目前江海通航船舶船体结构强度主要参照《国内航行海船建造规范》（以下简称《海规》）的相关内容.在总纵弯曲强度和扭转强度方面，除了宽深比由B／D≤2.5放宽至B／D≤3.0外，其他要求，如波浪垂向弯矩、波浪垂向剪力、波浪水平弯矩、波浪转矩和中剖面模数及中剖面惯性矩等，均没有改变.然而，B／D的增大，往往会导致中剖面模数和中剖面惯性矩是很难满足的，有时即使甲板采用厚度达到30 mm以上的高强度钢也无法满足要求.这充分说明《海规》中剖面模数和中剖面惯性矩等要求不适用于江海通航船舶，与尺度比不协调.

此外，《海规》规定的波浪载荷是依照北大西洋波浪统计数据计算而来的，考虑了全球最恶劣的海况，这显然与我国江海通航的海区全年可能的海况存在较大差异.为研究江海通航船的总强度提供载荷输入，本文基于载荷第一原则对江海通航船舶波浪载荷进行研究.

1 方 法

按拟定的主尺度比范围，设计系列规范净尺寸临界船，按E1海区波浪散布图［1］，选择适当的波浪谱进行波浪载荷的长期预报，通过波浪载荷的长期预报值与规则波的载荷响应的比较，计算等效设计波高.

1.1 波浪载荷的概率水平

江海通航船舶既航行于海又航行于内河，海上的海况较内河海况要恶劣得多，因此在确定江海通航船舶的波浪载荷时，应以其在海上航行时所承受的波浪载荷作为设计依据.在波浪载荷长期预报中，需要确定长期极值所对应的超越概率水平.所谓超越概率水平，即为超越该目标长期极值的概率，它的选取与船舶在设计寿命期内的波浪载荷循环次数密切相关.因而，在确定长期预报超越概率水平前，先需确定船舶在设计寿命期内的波浪载荷循环次数，那么波浪载荷长期极值的超越概率水平即为循环次数的倒数.

江海通航船的设计寿命定为25 a，计7.884×108s。根据调研来看其年均在航率为75%，即寿命期内航行5.913×108s。江海通航船舶大部分时间航行于内河水域，海上航程较短。特定航线1从武汉至北仑港海段约217 k m，江段约1 025 k m，则整个寿命周期内船舶海上航行的时间比例约为17%。结合E1海区的波浪散布图中波浪的跨零周期的分布，在江海通航船整个寿命期内波浪载荷循环次数为20 104 200次，其设计波浪载荷长期极值的超越概率水平为10－7.3。即在25 a的设计寿命期限内，波浪载荷长期极值的超越概率水平为10－7.3。如果从马鞍山或南京到北仑港，则超越概率水平应在10－7.24和10－7.5之间。从特定航线2的江海通航航线来看，波浪载荷的超越概率水平也基本在这个范围内。为保留一定的强度储备，取波浪载荷的超越概率水平为10－7.5。

1.2 船型设计

主要研究对象是江海通航散货船，这种主流船型有其较为固定的船型特征，即尾机型，长大舱口.临界主尺度净尺寸系列船的设计遵循以下原则：（1）主尺度比应考虑江海通航船的特点；（2）根据航道通航条件，其船长上限值定为130 m；（3）船型的主要参数（空船重量、空船重心坐标，方形系数）应与现有沿海货船相当；（4）由于江海通航船尺度较小，散货船一般不超过2个货舱，因此不像海上航行的散货船那样出现隔舱装载工况，反而与干货船类似；（5）考虑到运输市场对超浅吃水肥大型江海通航船的需求，取B／D＝3.5，L／B＝4.5，Cb＝0.862，Cw＝0.901.

基于以上原则，设计了临界主尺度比系列散货船，相关数据如表1所列.

表1 散货船临界主尺度比系列船 m

1.3 波浪谱的选择

波浪谱反映了一个海域内的波浪能量分布特性.对于船舶波浪载荷统计预报来说，最好是用代表该船舶活动海域的各种海情的实测波浪谱去估算其响应.虽然我国科学家针对我国海区的波浪提出了相应的波浪谱，但基本上未在船舶领域得到很好的认可和应用.在这种情况下，只好借助于国际上目前通用的几种波浪谱，如ITTC谱、ISSC谱和JONSWAP谱等.

ITTC谱适用于充分发展的海浪，ISSC在1964年建议的双参数谱不仅适用于充分发展的海浪，也适用于成长中的海浪或由涌组成的海浪，而JONSWAP谱适用于有限风区的情况，该谱于1979年被ISSC推荐使用［2］.

表2 波浪垂向弯矩

在以上单一方向长峰波浪谱基础上引入扩散函数，即得短峰波谱.除了ITTC谱外，其他两种谱都可以用来进行有限航区的波浪载荷长期预报.在海洋工程中，就经常用JONSWAP谱来预报海洋平台的长期载荷极值.表2是B／D＝3.5，L／B＝4.5的临界主尺度比系列船分别用ITTC谱、ISSC谱和JONSWAP谱计算的在概率水平取为10－8时的主要波浪载荷波浪垂向弯矩的长期预报值，计算软件为CCS开发的切片理论程序.与 《海 规 》和CSR公 式［3－4］（即IACS UR S 1 1推荐公式）进行比较，不难看出ISSC谱计算结果更接近于《规范》值.从规范体系和应力水平的过渡这一角度综合考虑，选择ISSC双参数谱作为本研究采用的波浪谱.

2 波浪载荷的长期预报

作为规范载荷的一个重要组成部分，波浪载荷取短峰波的长期预报值.采用二参数ISSC谱，分别计算E1海区和S1海区的载荷，计算工况取满载工况，概率水平为10－7.5.波浪载荷长期预报中，波浪垂向弯矩在《海规》和CSR规范是一样的，CSR中的波浪垂向剪力大于《海规》值，而《海规》中没有水平波浪弯矩和波浪转矩的规定，故本研究中各载荷分量与CCS海规和CSR规范值进行比较.研究表明满载工况的波浪载荷大于压载工况和其他中间工况时要大，故以下分析仅针对满载工况.

2.1 船体梁剖面载荷

各横剖面处的波浪垂向弯矩沿船长的分布类似于正态分布，与《海规》和IACS的散货船共同规范（CSR）中波浪垂向弯矩有着相同的规律，只是其长期预报极值与CCS海规和CSR规范相比降低达20%～25%.

各横剖面处的波浪垂向剪力分布与《海规》和CSR规范中波浪垂向剪力有着相同的双峰分布规律.峰值略大于《海规》规范值，非常接近CSR规范值，但两峰之间的谷值较规范有一定的降低.

由于江海通航干散货船有着甲板大开口，因此在研究其总强度时必须考虑波浪水平弯矩和波浪转矩.但CCS海规对散货船没有波浪水平弯矩和波浪转矩方面的规定，所以只能与CSR规范比较.各横剖面处的波浪水平弯矩分布规律与波浪垂向弯矩类似，分布系数应与CSR一样采用梯形分布，但其峰值比CSR规范值小18%～30%.

波浪的水动力转矩包含垂向压力产生的波浪转矩和水平压力产生的转矩.各国船级社规范中的波浪转矩计算公式都不尽相同，有单峰型分布和双峰型分布［5］.压载时呈单峰分布，满载时呈双峰分布.各横剖面处的波浪转矩分布与CSR中的对称双峰曲线略有不同，双峰高低不同，而且波浪转矩极值比CSR规范值则要小27%～33%.

2.2 等效设计波高

将短峰不规则波中的载荷长期预报值与规则波中的单位有义波高载荷响应值进行比较，从中可以确定相应的等效设计波高.在IACS散货船共同规范和CCS集装箱船结构强度直接计算指南中，都将等效设计波应用于主船体结构的有限元分析［6］.

散货船垂向波浪弯矩的等效设计波高heq和波浪转矩的等效设计波高hT拟合曲线为

3 结 论

1）江海通航散货船的波浪载荷中垂向弯矩较无限航区海船规范值可降低20%～25%，波浪垂向剪力比《海规》规范值增大4%～8%，非常接近CSR规范值，水平波浪弯矩比CSR规范值小18%～30%，波浪转矩比CSR规范值则要降低27%～33%.

2）采用ISSC二参数波浪谱和E1海区的波浪散布图对江海通航散货船的波浪载荷进行了长期预报，并与CCS海船规范和IACS散货船共同规范（CSR）中的设计波浪载荷进行了比较分析，拟合出了应用于江海通航船舶有限元分析的等效设计波高公式，可为制订新的江海通航散货船设计规范提供参考.

［1］方钟圣，金承仪，缪泉明.西北太平洋波浪统计集［M］.北京：国防工业出版社，1996.

［2］戴仰山，沈进威，宋竞正.船舶波浪载荷［M］.北京：国防工业出版社，2007.

［3］中国船级社.国内航行海船建造规范［S］.北京：中国船级社，2006.

［4］国际船级社协会.散货船共同规范［S］.北京：国际船级社协会，2006.

［5］胡毓仁.船体水平波浪弯矩和转矩规范计算公式的比较研究［J］.中国造船，1999（3）：39－46.

［6］中国船级社.集装箱船结构强度直接计算指南［S］.北京：中国船级社，2003.