5 000 t自航甲板驳船波浪载荷与总纵强度研究

陈华杰（1.上海交通大学 上海200240； 2.中国船舶及海洋工程设计研究院 上海200011）

5 000 t自航甲板驳船波浪载荷与总纵强度研究

陈华杰1，2
（1.上海交通大学 上海200240； 2.中国船舶及海洋工程设计研究院 上海200011）

针对5 000 t自航甲板驳船，研究甲板宽大型驳船的波浪载荷及结构强度问题。根据船舶作业海域的海况条件，通过对波浪诱导载荷响应函数的计算，得出并预报船体所承受的波浪载荷。确定结构强度计算工况，分析甲板驳船结构强度问题。

甲板驳；波浪载荷；结构强度；直接计算

引　言

随着航运事业的蓬勃发展，海上运输船舶的开发和研究越来越受到业界关注。运输驳船以其运动灵活、装卸方便的特点，广泛活跃于港口码头之间。在我国，自航甲板驳船主要用于沿海各港口间的货物运输，运输货物以矿砂、煤炭及工程辅料等大宗散货为主。该船型具有宽大的甲板用以装载货物，其甲板宽度明显大于其他船舶，属于超肥大浅吃水型船舶。

自航甲板驳船属于超规范船舶，有较宽阔的甲板，其长宽比小于5且宽深比大于2.5。目前自航甲板驳船的设计工作主要基于规范设计。甲板驳船的船体结构相对简单，施工方便且造价及维修费用低，深受船东青睐。但是，由于甲板驳船在甲板以上装载货物，货物重心位置较高，因此在恶劣天气条件下，甲板上的货物可能发生移动或坍塌，情况严重时甚至会造成船体倾覆事故，对人员和财产的安全构成威胁。

相对于其他传统船型来说，甲板区域载货及船型相对宽大扁平的船型特点决定了该船型的设计重点及难点有别于其他船型。需要重点关注该类船舶横剖面的设计形式以保证足够的横向总强度和总强度要求，以及因甲板载货而导致船舶重心偏高的问题。在计算过程中也要充分考虑甲板载荷对结构强度的影响，另外，对于甲板载货区域支墩的布置及连接形式也需要特殊考虑。

1　船型简介

本文研究对象为某载重能力不少于5 000 t的自航甲板驳船（以下简称“驳船”），该驳船主要用于在船坞坞口、码头和港口之间运送大型钢质结构物，采用岸吊或大型浮吊直接吊装和卸运货物，不考虑滚装和滚卸。图1为该船总布置图。

图1　5000t甲板驳船总布置图

该船主要尺度及参数为：

总长 105.0 m

型宽 40.0 m

型深 7.0 m

设计吃水 3.2 m

航速 8.5 kn

主机 2×2 206 kW

肋距 2.5 m

载重量 5 000 t

2　波浪载荷预报

5 000 t自航甲板驳船的总体配载共包含16种典型装载工况。根据规范规定分别选取静水弯矩最大值工况、剪力最大值工况、中间吃水工况（最大吃水和最小吃水间1/3和2/3处）预报波浪载荷。波浪载荷预报选取对应的4种典型装载工况进行计算，见下页表1。

波浪诱导载荷计算选取的频率应尽量涵盖波浪散布图中高海情的中跨零周期范围。根据装载手册要求，本船波浪载荷计算选取北大西洋波散布图进行计算。三维水动力模型如图2所示。

表1　装载工况

图2　三维水动力模型

在波浪剪力和弯矩传递函数计算中，波浪频率范围取为0.05 ～2.0 rad/s、间隔0.05 rad/s，浪向角取为0°～ 360°、间隔22.5°。长期预报按各浪向均匀概率出现。定义沿船长方向指向船首时，浪向角为0°；指向船尾时，浪向角为180°。

船体重心处运动响应的传递函数通过求解规则波中的船体运动方程获得。在此基础上，可以按照达朗伯原理进一步计算船体剖面载荷响应的传递函数。通过计算各工况下的运动响应可知，纵摇运动的幅值频率为0.65～0.85 rad/s、浪向角为0°和180°左右时，响应最大。横摇运动的幅值频率为0.7～0.9 rad/s、浪向角约为90°时，响应最大。

本文计算了该船4种装载工况下不同浪向的船体剖面垂向剪力和垂向弯矩的传递函数，重点关注FR8（1/4L左右）和FR20（1/2L左右）处波浪的垂向剪力和垂向弯矩的情况。由计算可知，各工况中，LC1下的波浪弯矩和剪切力最大。LC1工况下，在FR8处垂向剪力和FR20处垂向弯矩的传递函数如图3 和图4所示。

图3　FR8处垂向剪力传递函数（LC1工况）

图4　FR20处垂向弯矩传递函数（LC1工况）

获得船体剖面载荷响应的传递函数HY（ω）后，便可结合长期海况的海浪谱Sw（ω），按照式（1）计算其响应谱SY（ω）：

大量实践表明，船体运动与波浪载荷幅值的短期响应服从Rayleigh分布。该分布只有方差σ2一个参数，可按式（2）由响应谱直接得到：

这样，可获得船体剖面载荷响应短期预报的各种统计值，包括均值、有义值等。

船体剖面载荷响应的长期分布可由各响应的短期分布求得，并可拟合为双参数的Weibull分布，从而获得指定超越概率水平的波浪载荷响应的长期极值。

本文给出了该船在特定海域航行工况下10-8超越概率水平的船体剖面垂向波浪剪力和垂向波浪弯矩的长期极值。图5、图6为相应的剖面载荷沿船长分布曲线。

图6　各工况下垂向波浪弯矩分布

3　结构强度有限元分析

有限元结构强度分析能够有效验证设计成果是否合理，并对设计水平作出最直观的评价。目前应用于有限元分析的方法主要为直接计算法，即建立舱段或全船的有限元模型，建立相应工况进行加载，对结构的屈服屈曲情况进行合理评估。

本船型较为特殊，只进行规范计算是远远不够的，需建立全船有限元模型进行加载计算，但全船有限元计算劳动量大、周期长且本船载荷强度同比之下并不算很大，所以，建立本船舱段有限元模型进行加载计算。

根据装载手册和水动力计算结果，船体梁最大弯矩在压载到港时最大（静水弯矩为2.77×1011N·mm、波浪弯矩为3.76×1011N·mm、船体梁弯矩为6.5 ×1011N·mm）。因此，校核总纵强度时，在三舱段模型末端修正弯矩与剪力，使船中FR19处的船体梁剪力为0，弯矩为6.5×1011N·mm。按可能发生的最危险装载情况，进行强度校核。每种工况由甲板载荷、压载舱内部压力载荷和舷外水压力载荷组成。其中，舷外水压力载荷由静水压力和波浪水动压力两部分组成。

为考虑横浪作用沿船长局部范围内产生的效果，在计算工况中分别采用施加于两舷的对称以及不对称舷外水压力来模拟。对称工况中（LCA），假定两舷都受到由外向内作用的波浪动压力；不对称工况中（LCB），可假定一舷侧受到静水压力和波浪压力的叠加作用，另一舷侧受静水压力与反向波浪动压的作用（但计算值小于0时，取0计入）。舷外水压力载荷作用分布情况见图7。

鉴于甲板驳船的船型特点是甲板载荷大，因此在计算的同时向甲板面施加均布载荷，可确保载荷的完整性。

4　分析与论述

依据规范对舱段有限元模型施加载荷并进行计算，再对本船主要构件屈服强度进行校核。横向构件和纵向构件的具体校核结果分别见表2和表3，各工况下典型横向构件应力云图见下页图8 — 图11，各工况下典型纵向构件应力云图见图12 — 图13。

图7　典型横剖面结构图

表3　纵向构件屈服强度的校核结果　MPa　

图8　典型横剖面结构图（强框架）

图9　非对称载荷作用分布示意图

图10　甲板横梁和船底肋板VON MISES应力云图（LCA）

图11　甲板横梁和船底肋板VON MISES应力云图（LCB）

图12　甲板板和甲板纵桁VON MISES应力云图（LCA）

图13　甲板板和甲板纵桁VON MISES应力云图（LCB）

由上述应力云图可知，最大应力出现在舱段中间及舱壁处。船中应力值大主要由于船中弯矩值较大；而舱壁处应力值大主要是由于此处剪力值较大。

从校核结果可以看出，本船的有限元计算结果远小于许用值，结构符合规范安全标准，且LCB工况的计算结果普遍高于LCA工况。可见，对于长宽比较小且宽深比较大的船舶，横浪工况将成为主控工况，因此需重点关注该类船舶的横向强度。

由应力云图可知，高应力区域集中在甲板及船底构件的舷侧，以及船中纵向构件靠近甲板和船底区域，这与甲板驳甲板面比较宽大且形状扁长有关。各纵向构件应力值也均远小于许用值，结构强度符合规范要求。

由两种工况计算结果的对比可以看出，横浪工况计算值普遍偏高。结合上述对横向构件的分析结果可以得出，该类船舶对横向载荷较敏感，计算时必须予以考虑以确保结构安全。

由计算结果可以看出，对于甲板驳这类甲板面宽大且船型扁平的船来说，除同其他船型一样需考虑到船中和舱壁处的加强外，还应考虑到甲板、底板等纵向构件与舷侧连接处的加强问题。良好的横剖面设计是该类船舶良好结构强度的基础。

通过对三舱段有限元模型计算结果的观察，发现在甲板载货处部分区域存在应力集中的情况，这些区域主要集中在承载货物的支墩处。可见，对于此类甲板载货类船舶，支墩应尽量布置在横纵舱壁交汇处，以保证支墩下加强的结构强度。若由于特殊原因无法做到上述布置时，则应对支墩下加强进行特殊考虑。对于其他同类型船舶，若粗网格模型无法满足计算校核要求时，建议采取细网格模型进行计算，并适当考虑对连接形式的特别设计。

图14为甲板驳船计算设计流程图。

图14　甲板驳船计算设计流程

5　结　论

本文阐述了5 000 t自航甲板驳结构设计中的核心技术，并对该类特殊尺度船型的波浪载荷进行预报；论述了全船总纵强度计算，并分析自航甲板驳结构设计中的技术要点，以供相关船型参考。

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Wave loads and global strength of 5 000 t self-propelled deck barge

CHEN Hua-jie1,2
(1. Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China; 2. Marine Design & Research Institute of China, Shanghai 200011, China)

In this paper, the wave loads and the structure strength of a 5 000 t self-propelled deck barge with broad decks is studied. The wave loads on the ship are directly calculated and predicted by the response function of the wave induced loads according to the sea state of the serving area. Then the structure strength of the deck barge is analyzed under the determined operation conditions.

deck barge; wave loads; structure strength; direct calculation

U661.43

A

1001-9855（2016）04-0040-07

10.19423 / j.cnki.31-1561 / u.2016.04.040

2016-03-03；

2016-03-24

陈华杰（1985 -），男，硕士在读，工程师，研究方向：船舶结构设计。