散货船货舱墩布置对浮态的影响

陈雨哲，周妍，高斌

（上海船舶研究设计院，上海 201203）

0 前 言

散货船作为一种载重量型船，用于大规模运输无包装的货物，例如矿石、谷物、化肥等，图1 为某散货船实船图片。 散货船的经济性在很大程度上由其载重量和货舱舱容决定。 为获取更高的经济效益，在设计方面，散货船通常会尽可能缩减机舱和首尖舱区域，增加货舱区域长度，并通过优化货舱 区域的布置，达到典型装载工况下的最佳浮态。

图1 散货船实船图片

协调结构共同规范（Common Structural Rules for Bulk Carriers and Oil Tankers，CSR-H）将散货船分为BC-A 型、BC-B 型和BC-C 型等3 类［1］，并对各类型船舶的装载进行了严格的限定，具体如下：

1）BC-C 型指该船用于装载密度小于1 t/m3的干散货；

2） BC-B 型指该船在BC-C 型基础上，能在所有货舱中同时装载密度不小于1 t/m3的干散货；

3） BC-A 型指该船在BC-B 型基础上，能在最大吃水且部分货舱空舱的情况下， 装载密度不小于1 t/m3的干散货。

对于BC-C 型船，CSR-H 给出了均质轻货满载工况的要求，即所有货舱装载低密度的轻质货物至满舱，无压载水，调节货物密度直至船体吃水达到结构吃水；对于BC-B 和BC-A 型船，规范还额外给出了均质重货满载工况的要求，即所有货舱装载密度为3.0 t/m3的均质货物，无压载水，装至船体吃水达到结构吃水。

由于机舱和首尖舱区域的缩短，在货舱区域均质装载时，全船重量分布靠前，容易出现首倾。 首倾对于船舶航行的危害有如下几点：

1） 容易产生甲板上浪现象，严重情况下可能导致甲板变形和甲板设备的损坏。

2） 螺旋桨浸没率降低，从而导致螺旋桨推进效率降低，同时影响散货船的操纵性。

3） 可能会导致螺旋桨飞车情况，产生严重的振动和噪声。

4） 目前散货船线型通常按照尾倾设计，航行中出现首倾不利于船舶的快速性和耐波性。

5）降低船首高度，造成船首储备浮力损失。

按照CSR-H 对均质满载工况的要求， 总布置和分舱确定之后，船舶浮态也随之基本确定，可调整的幅度很小。 货舱墩的朝向会对浮态带来不同的影响，需要分析均质重货满载工况和均质轻货满载工况下，货舱墩不同朝向布置对船舶的浮态影响。

1 货舱墩布置与货物重心计算模型

1.1 计算模型及装载工况定义

散货船的货舱墩分为顶墩和低墩，设置货舱墩能够有效减少槽型舱壁的跨距，改善货舱角隅处的应力分布，减小舱壁的构件尺寸。 货舱墩朝向与槽形舱壁朝向相关，但槽形舱壁的朝向对货物总重和总重心影响极小。 为简化起见，此处仅考虑两个相邻的货舱区域，并假定货舱区域和货舱墩形状均为长方体，槽形舱壁视为直壁，如图2 所示。

图2 货舱区域示意图（侧视图）

不考虑货舱墩时，A、B 货舱的完整容积分别记为VA、VB，长度分别为LA、LB，宽度均为B，高度均为H。 货舱内均质装载货物，货物总重恒定不变，记为M。 货舱顶墩和底墩的体积分别记为V1、V2，长度分别为l1、l2，高度分别为h1、h2，宽度均为B。 计算重心纵向坐标时，以A 货舱左下角角点为原点，船首方向为正向。

均质轻货满载工况要求货物装满货舱，而均质重货满载工况下，货物通常只能填满货舱一部分。 在CSR-H 中，均质满载工况下，重货的密度为3.0 t/m3，通常为轻货密度的4～5 倍，装载重货时货物高度通常为货舱高度的1/4～1/5，与底墩高度相近。 为简化计算起见，假定装载重货时重货不高于底墩。 货舱均质满载工况分为如图3 所示的4 种情况。

图3 货舱均质满载工况示意图

1.2 均质轻货满载工况计算分析

分析均质轻货满载（工况1 和工况2）。 对于工况1，A 货舱内货物重量M1A和重心纵向位置L1A分别为

B货舱内货物重量M1B和重心纵向位置L1B分别为

工况1 货物重心纵向位置L1为

分析工况2，货物总重不变，但重心纵向位置L2变为

工况1 和工况2 之间货物重心变化量ΔLlight为

通过以上推导，可以发现：

1） 对均质轻货满载工况而言，工况1 和工况2中货物密度、总体积其实并未发生变化，可以将工况2 视为在工况1 的基础上将B 货舱内顶墩和底墩处的货物由B 货舱移动至A 货舱，因此产生的重心变化与上述推论是等价的。

2） 相较于工况1，工况2 的货物重心更靠近船尾，因此，从尽可能使船体尾倾的角度出发，货舱墩朝船首布置有利于均质轻货满载工况下的船体浮态。

3）由于货舱墩的体积和长度相较于整个货舱而言较小，从式（7）可以看出，货舱墩的朝向对轻货满载工况的重心调节能力较弱。

1.3 均质重货满载工况计算分析

分析均质重货满载（工况3 和工况4）时，直观判断上容易产生误区，认为工况3 和工况4 之间的差异在于将B 货舱内底墩处的货物移动至A 货舱，从而推导出工况4 的货物重心更接近船尾的结论。但这个直观印象并不准确， 因为由工况3 至工况4的过程中， 不仅底墩范围内的货物进行了移动，两个货舱内货物的高度也发生了变化，相当于底墩范围外，A、B 货舱货物高度差之间的货物也发生了移动。 首先计算工况3 中A 舱货物总重M3A和重心纵向位置L3A分别为

B货舱内货物总重M3B和重心纵向位置L3B分别为

工况3 中，货物重心纵向位置L3为

分析工况4，A 货舱货物总重M4A和重心纵向位置L4A分别为

B货舱内货物总重M4B和重心纵向位置L4B分别为

工况4 中货物重心纵向位置L4变为

工况3 和工况4 之间货物重心变化量ΔLheavy为

进一步化简，可得：

通过以上推导，可得出如下结论：

1） 对均质重货满载工况而言，由于货舱的尺度远大于货舱墩的尺度，通过式（19）可得，货舱底墩朝船首布置会导致货物重心前移，引起船体尾倾程度减小。 这与均质轻货满载工况中得到的结论是恰好相反的，其原因在于，均质轻货满载工况中，货舱均为满舱状态， 移动的货物仅限于货舱墩范围内，但对于均质重货满载工况，底墩的朝向会影响货物的高度，移动的货物不仅局限于货舱墩范围。

2） 从式（19）还可看出，当h2≪H 时，ΔLheavy≈，此结论只在“货物始终低于底墩”这一假设下成立。

3）相较于均质轻货满载，均质重货满载工况下，调节底墩朝向对货物重心位置影响效果更为显著。

2 算例验证

以某超灵便型散货船为例， 该船为BC-A 型散货船，总长199.90 m，型宽32.26 m，型深18.90 m，结构吃水13.50 m，共设置5 个货舱、4 组货舱墩。 该散货船分舱如图4 所示。

图4 某超灵便型散货船分舱示意图

采用NAPA 软件对该散货船进行建模，分别计算当货舱墩均朝向船首和朝向船尾时，船体在均质满载工况下的浮态。 装载情况如图5 和图6 所示（以货舱墩均朝向船首为例），可以看出，均质重货满载工况下，货物高度略高于底墩高度。

图5 均质轻货满载工况（吃水13.5 m，货物密度0.78 t/m3）

图6 均质重货满载工况（吃水13.5 m，货物密度3 t/m3）

计算结果如表1 所示，纵倾值以首倾为正尾倾为负。 空船重量重心和货物重量均未变化。

表1 货舱墩朝向对船体纵倾影响计算结果

可以看出，均质轻货满载工况下，货舱墩朝向影响纵倾程度较小， 两种朝向之间纵倾差值为0.014 m，重心纵坐标差值为0.016 m，朝向船首时，船体尾倾更明显；均质重货满载工况下，货舱墩朝向影响纵倾程度很大， 两种朝向之间纵倾差值为0.247 m，重心纵坐标差值为0.303 m，朝向船尾时，船体尾倾更明显。 可以看出，即便均质重货满载工况下，货物高度略高于底墩高度，数学模型分析中结论依然成立。

由于货舱墩的朝向和内底板、上甲板和货舱墩交点处的疲劳相关，需要优先布置在风暴舱（该船为No.3 货舱）和重货舱（该船为No.1、No.3、No.5 货舱）中，最后考虑轻货舱；综合考量总体和结构两方面的需求后，本船货舱墩的布置如图4 所示，在No.1、No.3、No.4 货舱内布置货舱墩。 此种布置下，均质满载工况中船体纵倾计算结果如表2 所示。 可以看出，实船均质满载工况下，与表1 中两种朝向进行对比，同样符合数学模型分析中的结论。

表2 实船均质满载工况纵倾计算结果

3 结 语

通过数学建模推导和实际案例验证，货舱墩朝向对船体浮态的影响：

1）货舱墩朝向对均质轻货满载工况下船体纵倾值影响较小，朝向船首时，船体尾倾增大；

2）货舱墩朝向对均质重货满载工况下船体纵倾值影响显著，朝向船尾时，船体尾倾增大。

由此看出，货舱墩的布置对散货船的浮态具有一定调节效果，在散货船设计过程中，若出现装载均质轻、重货不能同时满足浮态（尾倾）要求或同时满足有困难时，改变货舱墩的朝向，对改善船舶浮态具有一定的调节作用。