晃荡对CSR油船设计的影响

焦玲玲，赵路，杨会，竹亮

(上海外高桥造船有限公司，上海 200137)

液舱晃荡主要由船舶运动导致液舱内液体自由运动产生的加速度引起。晃荡运动导致的压力可分为由于纵向运动引起的晃荡压力和由于横向液体运动引起的晃荡压力。对于横向结构，仅考虑其受到液体纵向运动的作用；对于纵向结构，仅考虑其受到液体横向运动的作用。由液体横向和纵向运动导致的晃荡压力假定为独立作用，因此结构构件应基于液体横向和纵向运动导致的最大晃荡压力进行评估。晃荡载荷在实际计算过程中以静载荷的形式进行计算和强度评估。晃荡载荷会引起局部尺度的增加，应考虑避免硬点、切口和其他有害的应力集中。按照规范要求，所有液货舱、压载舱，以及其他体积大于100 m3的液舱，均应考虑液舱晃荡压力。

1 晃荡载荷

无论液体是纵向运动还是横向运动，所引起的晃荡压力pslh-lng，均应在液舱总深度范围内取常量值，且该值应取充装高度从0.05～0.95hmax之间，以0.05hmax步长递增计算所得晃荡压力的大者。

1.1 纵向液体运动产生的晃荡压力

1.1.1 适用范围

由于液体纵向运动产生的晃荡压力pslh-lng，适用于密性横舱壁和横向制荡舱壁两者上的水平桁，以及距离横舱壁一定距离的纵舱壁、甲板和内壳的板及骨材等构件。此处，《散货船和油船结构共同规范》(以下简称CSR[1])根据液体晃荡的特点，将液货舱两侧横舱壁及其临近构件以及制荡舱壁及其临近构件分开考虑。纵舱壁、内底板等构件朝向液舱的一侧无主要支撑构件，因此晃荡载荷作用的范围为0.25lslh；其他有强框架等主要支撑构件作用的大板晃荡载荷作用的范围为一个强框架的范围。此处，第一强框架主要作用为反射晃荡。

1.1.2 横舱壁处的晃荡压力

在特定的充装高度下，由于液体纵向运动产生的在横舱壁(包括制荡舱壁)处的晃荡压力pslh-lng主要取决于有效晃荡长度lslh，见表1。

表1 有效晃荡长度lslh

nWT为有效晃荡长度与液舱内横向制荡舱壁的数目；nwf为液舱内不含制荡舱壁的横向强框架的数目；fwf为横向强框架和横向制荡舱壁数目的系数；ltk-h为所考虑充装高度处的液舱长度，与结构形状及开孔面积相关的横向制荡舱壁系数αWT和横向强框架系数αwf有关。

当液舱内设置一个制荡舱壁，同时液舱长度和强框布置确定时，此时横向制荡舱壁处的晃荡长度仅与强框架处横剖面开口与所考虑的充装高度以下的总面积有关，即强框架的结构形式相关。而横向密性舱壁处的有效晃荡长度与强框架与制荡舱壁的结构形式均有关。换言之，即制荡舱壁的晃荡载荷和强框架结构形式有关，水密舱壁的晃荡载荷与强框架和制荡舱壁的制荡效果均有关，强框形状影响占比更大。这对于结构设计初期方案选型具有重要意义。

1.1.3 临近横舱壁的内部强框架和横向水平桁上的晃荡压力

对于设有内部强框架的液舱，由于液体纵向运动产生的作用在与横舱壁或制荡舱壁临近的强框架或横向水平桁上的晃荡压力pslh-wf，与横舱壁到所考虑的强框架距离有关。此处因油船液货舱水密舱壁0.25lslh之内晃荡压力的不同，油船水密舱壁舱壁前后档主要支撑构件的板及骨材的晃荡载荷需特殊考虑。

1.2 横向液体运动产生的晃荡压力

由于液体横向运动产生的晃荡压力pslh-t，适用的各类构件和1.1.1类似。液货舱一侧有主要支撑构件的大板其晃荡载荷作用范围为一个纵桁，在液货舱一侧无主要支撑构件支撑的大板，其晃荡载荷作用范围为0.25bslh。

2 晃荡压力

超大型油船(简称VLCC)通常有2道纵舱壁，将货舱分为中货舱和左、右边货舱。下面以VLCC货舱为例，分析晃荡压力的载荷水平。

2.1 中货舱晃荡压力

VLCC中货舱横舱壁处及临近横舱壁的内部强框架和横向水平桁上的晃荡压力最大值均出现在75%hmax装载，为84.3，60.7 kPa；所述VLCC货舱含强框与横撑[2]，纵向不设置制荡舱壁，横向晃荡最大值为41.6 kPa，出现在70%hmax装载。

2.2 边货舱晃荡压力

所述VLCC左、右边货舱含1道制荡舱壁，其边货舱横舱壁处以及临近横舱壁的内部强框架和横向水平桁上的纵向晃荡压力最大值均出现在85%hmax装载，分别为83.9，60.8 kPa；制荡舱壁处与制荡舱壁临近的强框架或横向水平桁上的纵向晃荡压力最大值均出现在70%hmax装载，分别为42.9 kPa和26 kPa。

由于bslh/B=0.3,pslh-t=0，因此对于边货舱，水密纵舱壁上的横向晃荡应为20 kPa。

3 晃荡影响的结构

3.1 液货舱的布置

所述晃荡压力针对液体自由运动产生晃荡压力，不考虑由于高速冲击液舱边界或内部结构所引起的冲击压力。对于最大有效晃荡宽度bslh大于0.56B或最大有效晃荡长度lslh大于0.13L，装载在0.05～0.95hmax的任一充装高度的液舱，必须根据船级社的程序进行附加的冲击评估。当有效晃荡长度lslh小于0.03L时，不必进行关于液体纵向晃荡引起的晃荡载荷pslh-lng；当有效晃荡宽度bslh小于0.32B时，不必进行关于液体横向晃荡引起的晃荡载荷计算pslh-t。

在船型开发初期，需考虑晃荡载荷对不同级别船型液货舱分舱布置的影响。

本文选取不同载重吨级油船阿芙拉型油船(Aframax tanker)、苏伊士型油船(Suezmax tanker)、VLCC三种典型油船以CSR为基础，对晃荡相关的主要参数进行对比，见表2。此处阿芙拉型和苏伊士型油船左、右液货舱晃荡情况不同，将较严重的舱作为典型舱室。

表2 油船液货舱晃荡相关主要参数 m

由表2可见，阿芙拉型油船和苏伊士型油船的最大舱长均小于0.13L，最大舱宽也小于0.56B，因此阿芙拉型油船和苏伊士型油船货舱内部结构只需考虑晃荡压力计算即可。

而VLCC的最大舱长为51.03 m大于0.13L，最大舱宽均小于0.56B，因此VLLC需重点考虑和解决货舱内的纵向晃荡。以上VLCC边货舱的晃荡数据是含一道制荡舱壁的结果。经过计算发现，如果边货舱不含制荡舱壁，则有效晃荡长度为51.03 m，横舱壁处及其临近构件的纵向晃荡压力最大值均出现在70%hmax装载，分别为149.4 kPa和118 kPa，相比设置制荡舱壁晃荡载荷增大近一倍，需按照要求进行晃荡冲击评估。可见设置制荡舱壁的效果非常明显。

3.2 制荡舱壁及其临近构件

VLCC通常会在货舱中部设置横向制荡舱壁，以减少货舱内液体的晃荡，并减轻液体对周围结构的冲击。常规制荡舱壁作为液舱内的穿孔舱壁，为局部舱壁，该位置同时保留甲板强横梁。作为具备制荡作用的非水密舱壁，要求制荡舱壁上的开口具有较大的半径，开口面积总和不小于舱壁面积的10%，确保液体在制荡舱壁两侧可以正常流动。

3.2.1 制荡舱壁的高度

已经论证制荡舱壁处与制荡舱壁临近的强框架或横向水平桁上的晃荡压力最大值均出现在70%hmax装载，以VLCC边货舱晃荡计算为例，在各参数不变的情况下，舱高为27.7 m，以制荡舱壁距离双层底的高度为变量，得出不同制荡舱壁高度对应的晃荡载荷及有效晃荡长度,见表3。

表3 制荡舱壁高度对晃荡载荷

从表3中可以得出以下结论。

1)制荡舱壁越高，对液体运动的制荡作用越大，晃荡载荷越小。

2)表格内制荡舱壁pslh-lng和邻制荡舱壁强框pslh-wf为定值，验证了制荡舱壁与邻制荡舱壁强框构件的晃荡载荷大小与制荡舱壁结构形式无关。

3)当制荡舱壁高度为30%舱高即8.31 m时，有效晃荡长度为42.14 m大于0.13L即41.614 m，此时，制荡舱壁已经不能有效减少液舱内的纵向晃荡，需要进行晃荡冲击计算，制荡舱壁高度为20%和10%舱高情况相同。因此，制荡舱壁高度不可一味降低，当高度低到一定位置时，已不具备有效较少晃荡的作用。

3.2.2 制荡舱壁局部开孔

根据1.1.2结论水密舱壁的晃荡载荷大小与强框架和制荡舱壁的结构形式均有关。

VLCC中nWT=1，nwf=7，fwf=3.5,考虑在制荡舱壁[3]底部新增开孔，按开孔大小的不同依次列为方案一、二、三，详见表4。

由表4可以看出，pslh-lng在方案一情况下增加

表4 制荡舱壁高度对晃荡载荷

最多为16%，即97.51 kPa，所以在保证晃荡效果和轻量化设计可以考虑开孔的设计方案。

同时采用有限元分析方法对此处未开孔、带大趾端开孔、不落地开孔三种制荡舱壁方案进行验证。结果表明，制荡舱壁开孔后对制荡舱壁附近构件的屈曲和屈服些许影响，但影响有限；制荡舱壁不落地开孔形式优于带大趾端开孔形式，更优于无趾端开孔形式。因此，此处应根据生产设计需要，对制荡舱壁的结构形式作出修改和调整。

4 结论

1)晃荡所引起的结构响应问题一直是液货船重点关注的技术问题之一。CSR规范将晃荡载

荷简化成静载荷进行计算和评估，对于非CSR的船型，晃荡及结构响应的作用机理基本一致，具体要求参照相应规范规则。

2)通过对三种典型油船的晃荡载荷进行分析，明确了不同船型的舱壁及强框的布置与设计要求，对VLCC制荡舱壁的设计合理性探讨可为设计初期方案选型提供参考。

3)液舱晃荡不仅涉及到总体分舱设计，更要综合考虑工程实际。在实际项目中，更需要在优先考虑船东运营情况的前提下，兼顾总体布置和结构专业优化设计的协调平衡。

4)篇幅有限，未对船舶运动固有周期与液舱内液体运动周期进行晃荡谐振分析，在简化液舱晃荡载荷为静载荷时，要确保晃荡未导致液舱内液体出现明显的液面变化及载荷增加。