基于規范的滾裝船艏部砰擊受損分析

曾宇東　林浩東

摘 要 滾裝船因航速高、外飄大，艏部砰擊問題非常突出。本文以某系列貨物滾裝船艏部砰擊破損的案例為研究對象，基于結構設計時遵循的IACS規范，及目前應滿足的LR規范對波浪砰擊載荷要求的差異進行有限元強度分析，得出LR規范更符合實際情況。

關鍵詞 滾裝船 艏部砰擊 規范校核 有限元分析

中圖分類號：U661.3 文獻標識碼：A

1章緒論

1.1 課題的研究背景及意義

滾裝船是指用來載運汽車、托盤貨或集裝箱貨，并以輪式車輛滾上滾下（Roll On- Roll Off）裝卸的專用船舶。近年來，航運市場與新造船市場持續低迷，但滾裝船由于航速快，裝卸效率高，港口配套要求不高，可以實現門對門式服務，滿足高端客戶的要求，船東收益明顯，是造船市場不多的亮點之一。

我國經濟近十幾年的高速增長，也造就了國內滾裝船運輸市場蓬勃發展，尤其是汽車滾裝船運輸，表現強勁，隨著舟山江海聯運服務中心的成立以及“一帶一路”國際合作高峰論壇的水順利召開，當前中國的發展需要建設自己的專業滾裝船隊伍，建造出適合我們國情及航線特點的滾裝船，有利于在國家戰略上支持一帶一路的發展，支撐民族工業的復興，可以預計，未來幾年將會迎來滾裝船建設的高潮。

滾裝船由于航速高、外飄大，在惡劣海況中航行時容易發生砰擊現象。對于此問題，業界一直在尋求更準確的砰擊載荷預報，并進行更可靠的艏部結構設計。

本文從某系列滾裝船四艘姊妹船運營十年左右，艏部均遭波浪砰擊，造成內部結構裂紋損傷、塑性變形入手，從規范差異分析結構損壞的原因，追溯設計方案的問題。該系列船結構設計時是引用IACS規范，因IACS和LR對艏部砰擊載荷的計算迥異，所以本文分別對IACS和LR規范要求的波浪砰擊載荷進行有限元分析，并結合實際總結經驗，為我國將來滾裝船或類似船舶的艏部結構設計提供參考，具有現實意義。

1.2 課題的研究現狀

艏部砰擊載荷預報是國際上熱門的且未很好解決的研究課題，砰擊載荷它們輕者將造成船體疲勞或局部變形，重者會引起結構崩潰而導致災難性后果。1994年9月，Estonia號滾裝渡輪在波羅的海的風浪中因罩殼式首門打掉導致艙內大量進水而沉沒，九百多名乘客和船員喪生就是一個經典的案例。

民用運輸船舶領域，近年來，隨著高性能船舶（如多體船）的廣泛應用，船舶（集裝箱船、LNG船等）大型化的不斷發展，砰擊問題更加突出。合理預報船舶的砰擊荷載及其結構動響應，已成為安全設計船舶的重要前提。

為此，各船級社（Classification Society，簡稱Class，下同）和國際船級社協會（International Association of Classification Society，簡稱IACS，下同）對于砰擊的機理、砰擊引起的船體梁瞬態彈性振動（即顫振，Whipping）等進行了深入研究，并進行實船跟蹤，然后將復雜的計算原理簡化成方便使用的計算公式，寫入規范，供結構設計、檢驗時采用。

2艏部砰擊受損分析

該系列滾裝船，為中型貨物滾裝船，服務航速20.5kn，主要載運紙制品、拖車、托盤貨及集裝箱等，航行于海況惡劣的波羅的海和北歐海域。

本船具有外飄大、航速高等特點，即使在中等海況下，艏部砰擊依然嚴重。該系列船在投入運營十年后，姊妹船艏部外板均出現較嚴重的塑性變形，內部構件出現較嚴重的扭曲變形，甚至裂紋，且損傷部位均位于水線以上主甲板與上甲板之間。本文即是以此系列滾裝船為研究對象，分析其艏部砰擊受損的原因。該船總長187.06米，型寬26.5米，型深15.65米，方形系數0.7。

2.1波浪砰擊載荷計算

本系列船于1998年開始設計建造，當時亦參照URS8首門和內門的要求設計艏部結構。本文又查閱了當時參照的IACS 1997年版URS8首門和內門規范，最新的2010版URS8首門和內門規范，以及LR最新的2014版船舶入級規范第4部分第2章第4節外板波浪砰擊載荷加強，發現USR8在波浪砰擊載荷計算上變化不大，而LR規范在波浪砰擊載荷計算上與URS8的截然不同。

2.1.1規范計算

IACS的URS8艏門和內門規范，適用于所有從事國際、國內航行的客滾船和滾裝貨船。其艏部波浪砰擊壓力是按均布壓力考慮，隨計算點的外飄角、進流角變化。

計算公式為：

Pe=2.75 CH（0.22+0.15tan ） （0.4Vsin +0.6L0.5）2 [KNm2]

LR入級規范第4部分第2章第4節外板波浪砰擊載荷加強，適用于入級LR的渡輪、滾裝船和客船.其艏部砰擊載荷引入了波浪砰擊極限速度，即壓力峰值的概念。

計算公式為：

Pbf=0.5（KbfV2bf+KrvHrvV2rv） [KN/m2]

2.1.2 波浪砰擊載荷對比

根據該船的參數及各位置線型，算得艏部外板波浪砰擊壓力見表2.2。

表2.2：艏部波浪砰擊壓力計算表

由表2.2可知，按照LR規范算得的波浪砰擊峰值載荷大約是按照IACS規范算得的波浪砰擊平均載荷的5～7倍。具體哪個規范與實船損傷更接近，需要進行有限元分析。

2.2 有限元建模及分析

本文對艏部主甲板與上甲板之間的結構使用FEMAP&NASTRAN 2012版軟件進行了有限元建模，進行相應約束后，根據表2的設計載荷，施加IACS與LR關于艏部砰擊的載荷后，采用線彈性分析的方法進行。

2.2.1 IACS規范評估

在IACS砰擊載荷下分別對結構的合成應力、彎曲應力及剪切應力進行校核，可以發現有少量的高應力峰值出現在邊界約束區域及熱點區域，但因為這些區域因計算失真或應力集中超出衡準值，是可以接受的。所以使用IACS計算的波浪砰擊載荷進行考察，艏部結構具有足夠的強度抵抗砰擊損壞。endprint

2.2.2 LR規范評估

為便于和IACS的結果比較，依然采用線性靜力分析的方法，將LR規范計算的砰擊載荷施加到有限元模型中，計算過程省略，結果顯示與實船結構損壞情況相符。

圖1：LR砰擊載荷下FR243肋位合成應力云圖

圖2：實船FR243橫梁塑性變形示意圖

圖1顯示了LR砰擊載荷在FR243肋位處，四甲板橫梁和外板肋骨間連接肘板的兩趾端處引起592MPa的合成應力，已超出此處材料的屈服應力極限。這與圖2顯示的實船FR243外板肋骨裂紋損傷、甲板橫梁塑性變形情況吻合。

2.2.3 規范適用性分析

通過分別施加IACS和LR波浪砰擊載荷，進行有限元分析，并與實船損傷結果對比可見，LR規范給定的波浪砰擊載荷更符合實際。

3結論

本文選取了某系列貨物滾裝船艏部砰擊破損的經典案例進行分析。首先分別對IACS和LR規范要求的波浪砰擊載荷進行有限元分析，確認LR規范適用于本案例分析；然后根據LR規范對原有結構的內部構件和外板尺寸進行了規范校核，結合實船損傷情況判斷，該系列船艏部結構損傷系內部支撐構件強度不足所致； 各船級社之間關于波浪砰擊載荷的計算不盡相同，盡管結構設計時只需滿足相應船級社的要求，但建議多參考幾個船級社的要求，并選取相對保守的載荷進行設計，因為與營運后的修復成本相比，新造船階段增加成本微乎其微。

參考文獻

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