內河滾裝船車輛系固計算方法

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(中國船級社 武漢規范研究所，武漢 430022)

內河滾裝船車輛系固計算方法

郭際，鄧樂

(中國船級社 武漢規范研究所，武漢 430022)

為對內河水域滾裝船車輛系固的安全性進行評估，考慮船舶運動參數的影響，對滾裝船車輛所受重力、風力、慣性力、摩擦力及綁索拉力進行了分析，在此基礎上提出了滾裝船車輛受力計算的10種典型狀態，通過實船算例得出最危險計算狀態及計算公式。研究表明，滾裝船車輛應分析船舶橫搖、縱搖及垂蕩聯合作用下車輛失重狀態，進而評估綁索載荷與系固安全性。

船舶運動參數；車輛系固；計算狀態

滾裝船上車輛的系固綁扎問題是IMO在諸多關于滾裝船安全性的問題中最早提出的問題[1-2]。艙內車輛移動產生的連鎖反應會導致船舶的大角度傾斜，很多海難事故發生的直接原因就是貨物移動。滾裝船上裝載的車輛千差萬別，影響車輛移動的因素又太多且難以量化，關于滾裝船上車輛系固的計算分析，IMO及CCS在一些規則、指南類文件中提出了簡明的計算方法[3]，但其適用范圍為國際航行海船，并未涵蓋內河船，計算中考慮的因素與內河航運條件不盡一致，且計算狀態選取較為簡單，未考慮各種可能的工況。有研究在IMO方法的基礎上進行了延伸，比較了數種不同算法[4-6]，但其研究對象多為海船，其船舶運動參數和風浪條件均與內河不同。此外還有相關文獻詳細分析了影響車輛受力的各個因素，對車輛懸架結構采用彈簧單元進行模擬，并用計算機對這一問題進行非線性計算，計算過程還需要編寫程序[7]。雖然這樣計算出來的結果較為精確，但其實用性較差。為此，在船舶運動參數的基礎上分析滾裝船車輛受力狀態，提出一種適用于內河水域條件且便于推廣使用的簡易車輛系固計算方法。

1 船舶運動參數對車輛系固的影響

船舶在波浪中的運動，包括縱蕩、橫蕩、垂蕩、橫搖、縱搖、艏搖。在船舶運動的6個自由度中，橫搖對滾裝船上車輛綁索的載荷影響最大，其次是縱搖和垂蕩[8]。大多數情況下船舶的運動主要是這3種搖蕩的復合運動。已有研究成果表明，除非船舶高速大角度轉向，艏搖對車輛系固的影響有限，另外船舶在航行中速度一般不會發生突然變化，因而對縱蕩也可不加考慮，而橫蕩的影響也極為有限，可以不予考慮[9-10]。

船舶搖蕩運動加速度及幅值均對滾裝船車輛受力產生影響，而不同航區、不同天氣情況將影響到船舶運動參數，故在滾裝船車輛系固分析中應考慮航區與風浪條件的影響。

2 車輛受力分析

滾裝船車輛的受力包括車輛的重力、所受的風力、綁索拉力及因船舶橫搖、縱搖和垂蕩運動所產生的慣性力等。由于船舶的橫搖角一般遠大于縱搖角，而且汽車自身構造決定了汽車的縱向穩性力臂遠大于橫向穩性力臂，如果車輪不滾動(船載車輛一般都可靠剎車且車輪下塞入木楔，車輪的滾動極少發生)，滾裝船上車輛的移動主要是橫向移動或橫向側翻。因此主要分析橫向分力和垂向分力。

船舶的橫搖中心軸取滿載水線面的中心線，縱搖中心軸取滿載水線面與過漂心橫剖面的交線。車輛所受的力均作用在車輛的重心。以下對船舶運動時甲板上的車輛進行受力分析。

當船舶橫傾角、縱傾角、垂蕩幅值同時達到最大時，車輛所受的橫向力Ny由5項作用力合成，見圖1。

圖1 橫向分力示意

各橫向分力具體表達式見表1。

表1 車輛所受橫向力

表中：M為車輛質量;Xc為車輛重心沿船長方向距縱搖中心的距離;Yc為車輛重心沿船寬方向距橫搖中心的距離;Zc為車輛重心沿型深方向距橫搖中心的距離;θm、φm、Zm分別為橫搖、縱搖與垂蕩幅值;Tθ、Tφ、Tz分別為橫搖、縱搖與垂蕩周期;F為車輛所受風力;p為單位面積風壓;A為車輛受風面積。

當船舶橫傾角、縱傾角、垂蕩幅值同時達到最大時，車輛所受的垂向力Nz同樣由5項作用力合成，見圖2。

圖2 垂向分力示意

各垂向分力具體表達式見表2。

表2 車輛所受垂向力

3 車輛受力計算狀態

根據以上受力分析，可將船舶橫搖、縱搖和垂蕩運動進行組合得出車輛受力的計算狀態。作為比較，簡要介紹一下IMO提出的車輛受力計算方法。在縱、橫、垂3個方向作用在車輛上的外力為

F(x,y,z)=ma(x,y,z)+Fw(x,y)+Fs(x,y)

(1)

式中：F(x,y,z)為縱、橫、垂向力；m為車輛質量；a(x,y,z)為縱、橫、垂向加速度；Fw(x,y)為由風壓造成的縱、橫向力；Fs(x,y)為由浪的飛濺造成的縱、橫向力。

對于內河水域，因風浪條件遠小于遠洋，故可不考慮波浪飛濺力。另外該公式在計及縱、橫、垂向加速度影響時使用了“最差條件方法”，即考慮最危險工況，在力與力矩的橫向平衡中不考慮垂向加速度，認為垂向加速度會使車輛重量增大，有利于其穩定性，且橫搖是影響車輛系固的主要因素。基于此種思想，在受力狀態分析時，除同時計及縱、橫、垂向運動的影響外，增加僅考慮橫搖運動影響的情況。

當同時計及縱、橫、垂向運動影響時，因為船舶3種運動(橫搖、縱搖和垂蕩)分別有2個方向，例如橫搖分為左傾與右傾，故共可組合出8種運動狀態，也即8種車輛受力狀態。由于這8種狀態在船舶營運中都是等概率出現的，故在進行車輛系固分析時，應選取其中最為危險的狀態。由上面的受力分析可得8種狀態計算公式如下。

(2)

當僅考慮橫搖影響時，共有2種計算狀態，計算公式如下。

(3)

4 系固綁索拉力計算

由于垂向分力的存在，使得車輛輪胎與甲板之間存在摩擦力，當橫向分力大于其最大靜摩擦力時，車輛將會發生橫向滑移。橫向分力與摩擦力之間會形成力偶，此力偶為車輛所受的傾覆力矩，垂向分力與甲板支撐力之間也會形成力偶，此力偶為車輛的回復力矩，當傾覆力矩大于回復力矩時，車輛將發生翻轉。見圖3。

圖3 力矩計算示意

車輛所受橫向力矩與最大靜摩擦力見表3。

表3 橫向力矩與最大靜摩擦力

表3中，h為翻轉力臂，即車輛重心距甲板的垂向高度，見圖3；b為穩定力臂，即車輛重心距車輪外側的橫向距離，見圖3；f為車輪與甲板之間的靜摩擦系數。

防止車輛橫向滑移的平衡計算應滿足以下條件：

式中：n為車輛單側綁索數量；αi為第i根綁索與垂直方向的夾角，見圖4；βi為第i根綁索在甲板平面的投影與船長方向的夾角，見圖4。

圖4 綁索角度示意

則對橫向滑移而言，綁索拉力T應不小于按下式計算之值。

(5)

防止車輛橫向翻轉的平衡計算應滿足以下條件：

(6)

式中：ci為第i根綁索的系固力臂，即車輛傾覆支點到第i根綁索在過該支點的船舶橫剖面上投影線的垂直距離，見圖5,

ci=(2b+H/tanφ)sinφ

(7)

其中：H為綁索在車輛上系固點至甲板的垂向高度；φ為綁索在船舶橫剖面上投影線與船寬方向的夾角，見圖5；γi為第i根綁索與船舶縱向的夾角，見圖4。

圖5 傾覆計算示意

對橫向翻轉而言，綁索拉力T應不小于按下式計算之值。

(8)

當綁索提供的拉力足以避免車輛出現橫向滑移和翻轉時，車輛的系固才是有效的。

5 實船算例

選取6條典型滾裝船按如上所述進行車輛系固分析，包括60車位客滾船2條、80車位(小車)、40車位、35車位、30車位客滾船各1條，航區均為B級航區。船舶主尺度見表4。

根據對稱性原則以及船舶運動特性，車輛系固分析一般選取圖6中4個位置即可。

篇幅所限，只列出60車位I的計算結果。

表5中計算狀態1～8為同時計及縱、橫、垂向運動的結果，狀態9～10為僅考慮橫搖運動的結果。由計算結果可見，對于各計算位置點，狀態8時Fm/Ny、Mh/Mt的值最小，說明計算狀態8最為危險。狀態8代表了這樣一種工況，此時船舶橫搖、縱搖及垂蕩運動均使得車輛產生與重力加速度方向相反的慣性力，車輛處于失重狀態。

表4 船舶主尺度

圖6 系固分析計算點示意

表5 各計算狀態下的計算結果

另外，比較狀態9～10可見，僅考慮橫搖并非最危險狀態，因為縱搖和垂蕩運動可以使車輛產生失重狀態。

最后，對于計算狀態8，位置點4的Fm/Ny，Mh/Mt的值相對于其他位置最小，為最危險點，是系固分析及車輛配載時應重點關注的。

6 結論

1)滾裝船車輛受力分析應同時考慮船舶橫搖、縱搖、垂蕩運動以及風載荷的影響，最危險狀態為船舶橫搖、縱搖及垂蕩運動均使得車輛失重時的狀態。根據船舶運動參數及營運水域風壓，內河滾裝船車輛所受橫向與垂向力可按下式計算。

(9)

2)根據1)的計算結果，可進一步判斷車輛自身是否能夠達到平衡狀態，如果不能則需要對車輛進行系固。為同時防止車輛的滑移與翻轉，系固綁索應至少能提供下式計算所得的拉力，取大者。

(10)

3)本文為內河滾裝船車輛是否需要綁索系固及系固拉力提供了簡易計算方法，計算風力按蒲氏7級計算。當風浪較大時，不能依靠綁索系固保證安全，應由有關監管部門限制航行。

4)本文所做受力分析為船舶正常狀態下的靜力分析，尚未考慮船舶破損的情況，建議在今后的研究中進一步分析。

[1] IMO Resolution A .714(17). Amendments to the code of safe practice for cargo stowage and securing (CSSCODE)[S]. London :International Maritime Organization,2002.

[2] IMO Resolution A.749(18). Code on intact stability for all types of ships covered by IMO instruments[S] .London: International Maritime Organization,1995.

[3] 中國船級社.貨物系固手冊編制指南[M].北京：人民交通出版社,2014.

[4] 張安西,徐邦禎.滾裝船車輛安全裝載與系固核算的研究[J].航海技術,2012(6):27-30.

[5] 邱冬琪.滾裝船裝運汽車的積載和系固[J].航海技術,2006(6)：25-27.

[6] 范育軍.非標準貨物系固方案兩種校核方法的比較[J].上海海事大學學報,2004,25(4)：13-15.

[7] 鄭云峰.滾裝船車輛綁扎系固系統動態模擬及安全性研究[D].大連：大連海事大學,2002.

[8] 楊守威,劉家新.非標準貨物柔性系固方案校核方法研究[J].船海工程,2011,40(3)：66-69.

[9] 沈華.船舶耐波性理論在航海中應用的探討[J].大連海事大學學報,1999,25(4);26-30.

[10] 沈華,孔祥生.滾裝船上大型車輛系固方案的力學分析[J].大連海事大學學報,2005,31(3)：1-4.

[11] 中國船級社.鋼質海船入級規范[S].北京：人民交通出版社,2015.

[12] 中國海事局.內河船舶法定檢驗技術規則[S].北京：人民交通出版社,2011.

Analysis on Calculation Method for Vehicle Securing of Inland Waterway Ro-Ro Ships

GUOJi,DENGLe

(Wuhan Rules and Research Institute, China Classification Society, Wuhan 430022, China)

In order to assess the safety of vehicle securing of inland waterway ro-ro ships, considering the parameters of movement of ships, various loadings acting on the ship were analyzed, such as gravity, wind force, inertia force, frictional force and pulling force of lashing. Ten typical situations of vehicles were chosen as load conditions, and the most dangerous one and its computing formula was found through actual ships calculation. It indicated that the vehicles’ weightlessness condition caused by rolling, pitching and heaving of ro-ro ships should be analyzed, the lashing loads and safety of vehicle securing can be assessed.

parameters of movement of ships; vehicle securing; calculation situation

U674.13

A

1671-7953(2017)06-0062-05

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.06.014

2017-03-09

2017-03-22

工業與信息化部高技術船舶科研項目

郭際(1985—)，男，碩士，工程師

研究方向：船體結構強度