散货船槽形舱壁描述性强度评估的载荷计算与分析

李平书，宋扬，吴嘉蒙

(1.上海市船舶工程重点实验室，上海 200011；2.中国船舶及海洋工程设计研究院，上海 200011)

散货船货舱区横舱壁一般采用槽形舱壁，且船长90 m以上的散货船需要满足共同结构规范(CSR)[1]。CSR关于散货船槽形舱壁强度评估载荷的要求比较复杂。

槽形舱壁的载荷是其结构设计、计算和优化的依据，正确的载荷计算更是其结构安全性、合理性，以及先进性的前提。结构设计时，需要根据载荷分布、类型及大小合理设置支撑、加强结构，设计合理的节点和工艺；尺寸计算时，需要根据不同点、不同类型的载荷，计算满足不同要求的板厚，确定板厚及板缝位置，避免出现结构安全性问题；结构优化时，载荷是优化结果的决定性因素，正确的载荷才能得到最优的槽形，从而实现轻量化设计。所以，载荷的计算方法和细节十分重要[2-5]。为此，结合实船计算对散货船槽形舱壁描述性强度评估载荷的计算方法及关键技术进行分析。

1 概述

基于CSR描述性要求的散货船槽形舱壁强度评估，需要考虑完整(intact)和进水(flooded)2种工况下的载荷。

完整工况下，装载状态一般分为均匀装载和隔舱装载两大类，具体包括均匀轻货满载(HL)、均匀重货部分装载(HH)、隔舱轻货满载(AltL)和隔舱重货部分装载(AltH)4种装载状态；不同附加营运特性船级符号的散货船，装载状态会有所不同；对于重压载货舱舱壁，还包括重压载工况(HB)、压载水置换工况(BWE)和在港/试验工况(harbour/test)。载荷工况方面，既要考虑“静”(S)设计载荷工况，又要考虑“静+动”(S+D)设计载荷工况。对于舱壁前后(或左右)2个相邻舱室的载荷，应分别进行计算，取其大者作为完整工况下的槽形舱壁设计载荷。

进水工况下，装载状态与完整工况的一致，但只考虑静(S)设计载荷工况，按照前后2个货舱单独进水进行载荷计算，取前后舱室的最大合成压力与最大合成力作为进水工况下的槽形舱壁设计载荷。

基于CSR描述性要求进行散货船槽型舱壁强度评估时载荷的基本内容见图1。

图1 基于CSR描述性要求进行散货船槽型舱壁强度评估的载荷

2 载荷计算方法

2.1 干散货静压力

干散货产生的静压力pbs(kPa)为

pbs=ρCgKC(zC-z)，取不小于0

(1)

式中：ρC为干散货密度；g为重力加速度；KC为与休止角相关的系数；z为载荷计算点垂向坐标；zC为基线到载荷计算点对应的货物上表面的高度，zC=hDB+hC，其中：hDB为双层底高度；hC为货物表面高度，取为内底至散货上表面的垂直距离。

货舱几何尺寸确定的情况下，舱壁任一点处的干散货静压力大小主要由货物密度和对应的货物表面高度决定。

2.2 干散货产生的动压力

动载荷工况，该动压力pbd(kPa)为

pbd=fβρC[0.25aX(xG-x)+ 0.25aY(yG-y)+

KCaZ(zC-z)]

对于z>zC，Pbd=0

(2)

式中：fβ为与载荷工况设定及设计波相关的浪向修正系数；aX、aY、aZ为货舱重心处的纵向、横向和垂向加速度；xG、yG为散货舱重心的坐标；x、y、z为载荷计算点坐标。

货舱几何尺寸确定的情况下，动载荷工况，舱壁任一点处的干散货动压力主要由货物密度、货物表面高度，以及舱室重心加速度决定。

2.3 液体静压力

重压载货舱舱壁上的液体静压力pls(kPa)为

pls=ρLg(ztop-z)

(3)

式中：ρL为液体密度，取1.025 t/m3；Ztop为不包括小的舱口的液舱最高点的垂向坐标。

2.4 液体动压力

动载荷工况下，重压载货舱舱壁上的液体动压力pld(kPa)为

pld=fβρL[aZ(z0-z)+full-laX(x0-x)+

full-taY(y0-y)]

(4)

式中：full-l和full-t分别为用于考虑压载货舱充装不足的纵向、横向加速度修正系数，对于散货舱均取为1.0；x0、y0、z0为载荷参考点坐标。

动载荷工况下，重压载货舱舱壁任一点处的液体动压力主要由舱室重心加速度和载荷参考点决定。

2.5 进水货舱垂直槽型横舱壁上的静压力

该静压力pbf-s(kPa)为

1)当zC>zF时

(5)

2)当hDB≤zC≤zF时

(6)

式中：KC-f为与休止角相关的系数；ZF为进水液面高度；perm与货物类型相关的货物渗透率；ρ为海水密度。

2.6 进水货舱垂直槽型横舱壁上的静力

该静力Fbf-s(kN)为

1)当zC>zF时

ρcg(zC-zF)KC-f)+Pbf-s-LE2zF-

hDB-hLS)

(7)

2)当zC≤zF时

ρg(zC-zF)+Pbf-s-LE2zC-

hDB-hLS)

(8)

式中：SC为单位槽长；hLS为从内底量起的底凳的平均高度；Pbf-s-LE为z=hLS+hDB处的静压力。

2.7 未进水货舱垂直槽型横舱壁上的静压力

该静压力pbs(kPa)为

pbs=ρCgKC-f(zC-z)，不小于0

(9)

2.8 未进水货舱垂直槽型横舱壁上的静力

该静力Fbs(kN)为

(10)

2.9 进水货舱垂直槽型横舱壁上的合成压力及合成力

作用在舱壁上任意一点的合成压力pR(kPa)及作用在槽条上的合成力FR(kN)为

1)均匀装载工况。

pR=pbf-s-0.8Pbs，FR=Fbf-s-0.8Fbs

(11)

2)隔舱装载工况。

PR=Pbf-s，FR=Fbf-s

(12)

3 载荷计算关键技术处理

3.1 货物表面高度

满载货舱的货物表面高度(hc)由货舱的几何尺寸决定。

hc=hHPU+h0

(13)

式中：hHPU为所考虑货舱中部从中纵剖线处的内底至顶边舱与舷侧外板或内壳(对于双舷侧散货船)上交点的垂直距离；h0为由货舱几何尺寸决定的参数。

部分装载货舱的货物表面高度(hc)不仅与货舱的几何尺寸相关，还和货物质量(M)与货物密度(ρC)的比值相关，其计算公式为

(14)

式中：hcCL为中纵剖线处的货物表面高度；B2为货物最大宽度，均由货舱的几何属性及M与ρC的比值决定。

M和ρC一般根据散货船类型和装载工况，由货舱体积和装载数据(可以从装载手册中得到)计算得到，完整工况和进水工况的计算方法有差别。一般来讲，满舱装载时，ρC≥1.0 t/m3；部分装载时，ρC≤3.0 t/m3。

某实船计算得到的hc分布见图2，由于完整工况与进水工况下的M和ρC的计算方法的不同，重货部分装载工况时，两者hc也有差别。另外，由于散货船为直通型单甲板结构，且一般采取均匀货舱划分，所以对于同一艘散货船，各货舱的hc分布基本上相同。

图2 实船计算hc分布

3.2 货舱重心加速度计算

动载荷工况下的货舱重心加速度(aX、aY、aZ)由船舶主尺度、船舶运动参数、船舶重心加速度，以及对应的加速度载荷组合系数(LCF)得到。

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

(15)

计算流程见图3。

图3 货舱重心加速度计算流程

首先，由船舶主尺度(L、B、D)和装载工况(即吃水TLC)得到横摇回转半径(Kr)、初稳性高度(GM)和各加速度LCF(CXG、CXS、CXP、CYG、CYS、CYR、CZH、CZR、CZP)；然后，由Kr和GM先后计算得到船舶运动参数(横摇周期Tθ、横摇角θ、纵摇周期Tφ和纵摇角φ)和船舶重心加速度(纵荡加速度asurge、横荡加速度asway、垂荡加速度aheave、横摇加速度aroll、纵摇加速度apitch)；最后，得到货舱重心加速度。

菊花主要的病虫害有叶斑病、白粉病和蚜虫赤峡蝶、二星叶蝉、灰巴蜗牛、橘天牛、星白灯蛾等。叶斑病和蚜虫发病期较长，需要定期喷洒杀菌剂进人生殖期菊花容易发生白粉病，可喷洒波尔多液或代森锌稀释液防治，每喷一次，并时时观察花蕾颜色，待颜色透亮后即可停止使用，此病如果不及时防治会危害花蕾，影响菊花质量。蚜虫的防治可喷洒鱼藤精，还可利用蚜虫对黄色趋向的特性，在黄色的塑料薄板表面涂上机油或捕鼠胶进行诱捕。在病虫害发生期应减少浇水次数，以避免药物作用减退。

3.3 重压载货舱液体动载荷参考点

该参考点是舱室顶边界范围内相对于舱室重心总加速度矢量Vj最大的点。

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

(16)

式中：xj、yj、zj为舱室顶边界范围内任意点的坐标；xG、yG、zG为舱室重心坐标；aX、aY、aZ为舱室重心加速度。

散货舱的顶边界范围可以由图4所示的一系列角点进行表示，这些角点一般包括舱口围顶边线交点、舱壁处顶边舱斜板的顶点和底点[6]。计算时，可以对包括这些角点在内的顶边界内的所有点进行计算，找出Vj最大的点作为载荷参考点。

图4 散货舱角点

对多型散货船的重压载货舱计算后发现，液体动载荷参考点具有以下特点：①所有参考点均为舱口围顶边线交点；②参考点(RP)与动载荷工况(DLC)对应；③各装载工况下的参考点相同；④不同船型，参考点分布也相同。见表1。

表1 重压载货舱液体动载荷参考点分布

4 载荷特点

根据CSR对槽形舱壁垂向板厚区域划分的要求可以确定载荷计算点的垂向坐标，分别为：槽条下端、0.15lcg处和0.7lcg处；而横向没有要求，需要根据载荷横向分布具体情况进行划分。因此，选取208K BC、82K BC、48K BC这3型典型的散货船的槽形舱壁载荷进行计算，根据计算结果分析其横向分布的特点。

4.1 设计载荷横向变化趋势

将各舱壁进行等间距划分(取舱壁半宽，0号位为中纵位置)，计算各槽条、各垂向计算点处的载荷，绘制各设计载荷工况下槽条设计载荷横向变化曲线。由计算结果发现，散货船槽形舱壁设计载荷横向变化趋势具有以下特点。

1)完整工况，S+D设计载荷工况下，无论非重压载舱舱壁，还是重压载舱舱壁，各垂向区域槽条设计载荷横向(从中纵至舷侧方向)均呈逐渐变大趋势，见图5。

图5 设计载荷横向变化趋势(完整工况，S+D)

2)完整工况，S设计载荷工况下，槽条设计载荷横向呈水平分布，无变化，见图6。

图6 设计载荷横向变化趋势(完整工况，S)

图7 设计载荷横向变化趋势(进水工况)

4.2 设计载荷横向变化幅值

针对S+D设计载荷工况，取各舱壁、各垂向区域内最大槽条设计载荷与最小槽条设计载荷的差值作为各垂向区域设计载荷的横向变化幅值，分别绘制“不考虑重压载工况”以及“考虑重压载工况”两种情况时的幅值图。对比分析后发现，散货船槽形舱壁设计载荷横向变化幅值具有以下特点。

1)不考虑重压载工况时，各舱壁设计载荷横向变化幅值基本上一致，差别不大；而且，大型散货船的设计载荷横向变化幅值非常小。

2)考虑重压载工况时，重压载工况对舱壁载荷横向幅值影响与船舶尺寸正相关—主尺寸越大，影响越大；对于大型散货船，重压载货舱舱壁载荷横向幅值较大，且前后重压载舱壁的幅值差距也较大。

4.3 设计载荷极值

针对S+D设计载荷工况，取各舱壁、各垂向区域内的最大槽条设计载荷作为其设计载荷极值，分别绘制“不考虑重压载工况”以及“考虑重压载工况”两种情况时的极值图。对比分析后发现，散货船槽形舱壁设计载荷极值具有以下特点。

1)不考虑重压载工况时，各舱壁设计载荷极值基本上相同，差别不大。

2)考虑重压载工况时，重压载舱壁载荷极值均有较大幅度增加，且前后重压载舱壁极值相差比较明显。

5 结论

1)散货船槽形舱壁载荷计算的关键是货物表面高度、货舱重心加速度以及重压载货舱液体动载荷参考点的计算。

2)不同装载形式，货物表面高度计算方法不同；相同散货船，各货舱的货物表面高度基本相同。

3)货舱重心加速度由船舶主尺度、船舶运动参数、船舶重心加速度和加速度载荷组合系数计算得到。

4)散货船重压载货舱液体动载荷参考点分布具有共性，与动载荷工况对应，且均为舱口围顶边线交点。

5)散货船槽形舱壁设计载荷在横向变化趋势、变化幅值和极值方面具有一定的特点，可以在其结构设计、计算和优化时加以应用。具体应用方法有待进一步细化。