散貨船的貨艙分艙布置對(duì)總縱彎矩的影響研究

陳正敏，劉燦波

(中遠(yuǎn)海運(yùn)川崎船舶工程有限公司，江蘇 南通 226005)

0 引言

對(duì)大型船舶來(lái)說，影響船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度或者說船體縱向構(gòu)件尺寸的重要參數(shù)是靜水彎矩[1]。在總布置設(shè)計(jì)時(shí)，通過合理的分艙優(yōu)化可以有效地降低船體梁的靜水彎矩，從而降低船體縱向構(gòu)件的尺寸，最終降低空船重量。

有關(guān)分艙優(yōu)化問題，業(yè)內(nèi)也有相關(guān)研究成果。文獻(xiàn)[1]中所述分艙優(yōu)化方法是根據(jù)貨艙的長(zhǎng)度和個(gè)數(shù)作出多種貨艙分艙方案，輸出每種方案下的靜水彎矩并進(jìn)行比較，找出最優(yōu)分艙方案。這種分艙優(yōu)化方法類似窮舉法，非常費(fèi)時(shí)費(fèi)力，效率較低。本文以某61 000噸級(jí)散貨船為研究對(duì)象，對(duì)比完整工況和破艙工況下的靜水彎矩曲線后，找出每一貨艙貨物質(zhì)量改變對(duì)靜水彎矩的影響規(guī)律，進(jìn)而明確分艙優(yōu)化的方向，并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

1 母型船的信息

本文以61 000噸級(jí)散貨船作為母型船，進(jìn)行分艙探討。該船有5個(gè)貨艙，各貨艙長(zhǎng)度相同，其主要尺度如下：

總長(zhǎng)199.90 m，垂線間長(zhǎng)197.00 m，型寬32.24 m，型深18.60 m，型吃水13.00 m。

61 000噸級(jí)散貨船平面布置示意圖見圖1。

圖1 61 000噸級(jí)散貨船平面布置示意圖

2 裝載工況與靜水彎矩

散貨船的靜水彎矩除了要滿足散貨船和油船共同結(jié)構(gòu)規(guī)范規(guī)定的最小要求之外，還必須滿足各裝載工況下的彎矩要求。貨艙的分艙及各種裝載工況決定了最終的靜水彎矩大小。

共同結(jié)構(gòu)規(guī)范對(duì)裝載工況有明確規(guī)定。本船的主要裝載工況如下：空船/進(jìn)塢/在港工況、普通壓載/重壓載工況、滿艙均質(zhì)裝載工況、短途及多港載貨工況、重貨(密度3×103kg/m3)均質(zhì)裝載工況、重貨(密度3×103kg /m3)隔艙裝載工況。

基于以上工況，本船彎矩最大工況下的彎矩曲線見圖2。

圖2 最大彎矩工況的彎矩曲線

從圖2可看出，對(duì)完整工況，其中拱彎矩的最大值的決定工況為重貨隔艙裝載工況和普通壓載工況。其中，對(duì)重貨隔艙裝載工況，要求1號(hào)、3號(hào)、5號(hào)貨艙裝貨，2號(hào)、4號(hào)貨艙空，裝貨艙的裝載率相同，所有壓載艙均空。對(duì)普通壓載工況，要求所有壓載艙100%裝滿。

而中垂彎矩的最大值的決定工況為重貨均質(zhì)裝載工況和重壓載工況。 其中，重貨均質(zhì)裝載工況要求所有貨艙的裝載率相同，所有壓載艙均為空。重壓載工況要求所有普通專用壓載艙須裝滿，且風(fēng)暴壓載艙(3號(hào)貨艙)也須裝滿。

對(duì)進(jìn)水工況，其中拱彎矩和中垂彎矩的最大值的決定工況與完整工況基本相同，而且從圖中也可以看出相對(duì)于完整工況，進(jìn)水工況的彎矩有顯著的增大。

為了體現(xiàn)出完整和破損進(jìn)水工況下中拱和中垂彎矩的相對(duì)關(guān)系，現(xiàn)作出最大的彎矩曲線，見圖3。

圖3 完整工況與破艙工況最大彎矩包絡(luò)線

從圖3中可以看出最大中拱彎矩與最大中垂彎矩有一定的差值，存在一定的優(yōu)化空間。如果能將中拱彎矩降低與中垂彎矩齊平或更小，則是比較理想的優(yōu)化效果。

3 分艙與靜水彎矩的優(yōu)化

單艙破損時(shí)，破損艙室范圍的浮力損失了，但這也可以當(dāng)作此處浮力沒有變化，其所對(duì)應(yīng)貨艙增加了和浮力相當(dāng)?shù)呢浳?。而通過比較單艙破損和完整工況的曲線，可找出各貨艙裝貨量對(duì)靜水彎矩的影響規(guī)律。而對(duì)彎矩決定工況重貨隔艙裝載和重貨均質(zhì)裝載，其裝貨量與貨艙艙容是成正比的，即得到各艙室大小對(duì)船體梁靜水彎矩的影響，從而可以判斷本文調(diào)整艙室大小方法的合理性，明確分艙優(yōu)化的方向。

本文將分別對(duì)圖2中的各最大彎矩決定工況下單艙破損時(shí)的靜水彎矩曲線，并和完整工況進(jìn)行對(duì)比分析。

3.1 重貨隔艙裝載工況彎矩分析

重貨隔艙裝載工況的完整和各貨艙單艙破損時(shí)的彎矩曲線見圖4。在此工況下，1號(hào)、3號(hào)、5號(hào)貨艙裝貨，2號(hào)、4號(hào)貨艙空，裝貨艙的裝載率相同。

圖4 隔艙裝載工況彎矩曲線

各貨艙單獨(dú)破損時(shí)的彎矩曲線分析如下：

(1)1號(hào)貨艙破損時(shí)，可視作1號(hào)貨艙貨物量增加，同完整工況相比，明顯加劇了船中的中拱現(xiàn)象，中拱靜水彎矩有顯著增加。因?yàn)樵摴r本質(zhì)上也屬于隔艙裝載工況，所以曲線形狀和完整工況相似。

(2)2號(hào)貨艙破損時(shí)，可視作2號(hào)貨艙由空艙變?yōu)檠b貨狀態(tài)，1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)貨艙形成連艙裝載狀態(tài)，減輕了2號(hào)貨艙處的中拱現(xiàn)象，導(dǎo)致2號(hào)貨艙處的彎矩波峰急劇下降。因?yàn)椴辉偈歉襞撗b載狀態(tài)，所以彎矩曲線的形狀不再與完整工況相似。

(3)3號(hào)貨艙破損時(shí)，可視作3號(hào)貨艙貨物量增加，減輕了船中中拱現(xiàn)象。同完整工況相比，中拱靜水彎矩有顯著減小。因?yàn)樵摴r仍然屬于隔艙裝載工況，所以曲線形狀和完整工況相似。

(4)4號(hào)貨艙破損時(shí)，可視作4號(hào)貨艙由空艙變?yōu)檠b貨狀態(tài)，3號(hào)、4號(hào)、5號(hào)貨艙形成連艙裝載狀態(tài)，減輕了4號(hào)貨艙處的中拱現(xiàn)象，導(dǎo)致4號(hào)貨艙處的彎矩波峰急劇下降。因?yàn)椴辉偈歉襞撗b載狀態(tài)，所以彎矩曲線的形狀不再與完整工況相似。

(5)5號(hào)貨艙破損時(shí)可視作5號(hào)貨艙貨物量增加，略微加劇了中拱現(xiàn)象。同完整工況相比，靜水彎矩有少許增加。

從圖4及以上分析可以得出， 1號(hào)和3號(hào)貨艙艙容(裝貨量)的大小對(duì)靜水彎矩的影響最大；減小1號(hào)貨艙艙容或增大3號(hào)貨艙艙容(裝貨量)可以明顯減輕中拱現(xiàn)象，顯著降低靜水彎矩。5號(hào)貨艙艙容(裝貨量)大小對(duì)靜水彎矩的影響較小。

3.2 重貨均質(zhì)裝載工況彎矩分析

重貨均質(zhì)裝載工況的彎矩曲線見圖5，此工況屬于各艙裝載率相同的均勻裝載工況。

圖5 重貨均質(zhì)裝載工況彎矩曲線

各貨艙單獨(dú)破損時(shí)的彎矩曲線分析如下：

(1)1號(hào)貨艙破損時(shí)，可視作1號(hào)貨艙貨物量增加，加劇了船中中拱。同完整工況相比，船舶由中垂?fàn)顟B(tài)變成中拱狀態(tài)。

(2)2號(hào)～5號(hào)貨艙破損時(shí)，由于各破艙貨物量的增加，加劇了中垂現(xiàn)象，導(dǎo)致中垂靜水彎矩有顯著的增加。

從圖5及以上分析可以得出： 3號(hào)、4號(hào)貨艙破損時(shí)為決定工況，要減小中垂彎矩，可減小3號(hào)、4號(hào)貨艙艙容(裝貨量)。若減小3號(hào)貨艙，雖然中垂彎矩會(huì)減小，但會(huì)增大重貨隔艙裝載工況的中拱彎矩，故不可取。而當(dāng)4號(hào)貨艙艙容(裝貨量)減小，相應(yīng)的5號(hào)貨艙(裝貨量)增大時(shí)，對(duì)中拱影響很小，但顯著減小中垂彎矩。所以3號(hào)貨艙艙容大小不變，4號(hào)貨艙艙容(裝貨量)減小、5號(hào)貨艙艙容(裝貨量)增大是可行的。

3.3 重壓載工況彎矩分析

重壓載工況的彎矩曲線見圖6，該工況所有壓載艙滿，3號(hào)貨艙(風(fēng)暴壓載艙)也裝滿壓載水。

從圖6可看出，除了3號(hào)貨艙破損時(shí)，船舶呈現(xiàn)中拱狀態(tài)外，其他貨艙破損時(shí)均呈現(xiàn)中垂?fàn)顟B(tài)。

各貨艙單獨(dú)破損時(shí)的彎矩曲線分析如下：

(1) 1號(hào)貨艙破損時(shí)，可視作1號(hào)貨艙貨物量增加，會(huì)加劇船中中拱，減輕中垂現(xiàn)象。同完整工況相比，中垂彎矩有明顯減小。

圖6 重壓載工況彎矩曲線

(2) 2號(hào)貨艙破損時(shí)，可視作2號(hào)貨物量增加，此時(shí)，2號(hào)、3號(hào)貨艙形成連艙裝載狀態(tài)，加劇了3號(hào)貨艙處的中垂現(xiàn)象。同完整工況相比，中垂彎矩有一些增大。

(3) 3號(hào)貨艙破損時(shí)，雖然3號(hào)貨艙范圍內(nèi)的浮力損失了，但同時(shí)3號(hào)貨艙內(nèi)壓載水也同樣損失了，損失的壓載水遠(yuǎn)大于損失的浮力，最終相當(dāng)于3號(hào)貨艙貨物量減輕了，所以減輕了中垂現(xiàn)象，最終出現(xiàn)了中拱現(xiàn)象。

(4) 4號(hào)貨艙破損時(shí)，和2號(hào)貨艙破損時(shí)類似，此時(shí)，3號(hào)、4號(hào)貨艙形成連艙裝載狀態(tài)，加劇了3號(hào)貨艙處的中垂現(xiàn)象。同完整工況相比，中垂彎矩有明顯增大。

(5) 5號(hào)貨艙破損時(shí)，可視作5號(hào)貨艙貨物量增加，會(huì)加劇船中中拱，減輕中垂現(xiàn)象。同完整工況相比，中垂彎矩有少許減小。

從以上分析可得出，4號(hào)貨艙破損為主要決定工況，2號(hào)貨艙破損為次要決定工況。減小4號(hào)貨艙艙容對(duì)減少中垂彎矩有利。減小2號(hào)貨艙艙容雖然可減少一些中垂彎矩，但1號(hào)貨艙艙容相應(yīng)的增大會(huì)導(dǎo)致隔艙裝載工況時(shí)中拱彎矩顯著增大，所以減小2號(hào)貨艙艙容不可取。

綜合上文分析，可以推測(cè)得出以下結(jié)論：

3號(hào)貨艙艙容保持不變，減小1號(hào)貨艙艙容(2號(hào)貨艙艙容相應(yīng)增大)，增大5號(hào)貨艙艙容(4號(hào)貨艙艙容相應(yīng)減小)會(huì)達(dá)到降低中拱和中垂靜水彎矩的目的，船體梁靜水彎矩會(huì)進(jìn)一步優(yōu)化。

4 推測(cè)結(jié)論的驗(yàn)證

根據(jù)推測(cè)結(jié)論，現(xiàn)保持3號(hào)貨艙艙容不變，減小1號(hào)貨艙并增大5號(hào)貨艙，再輸出相關(guān)決定工況的彎矩曲線。

4.1 重貨隔艙裝載工況彎矩

貨艙調(diào)整前后重貨隔艙裝載工況的彎矩曲線見圖7，其中：實(shí)線為初始的彎矩曲線，虛線為重新分艙后的彎矩曲線。從圖中可以看出，決定工況1號(hào)艙破損的最大彎矩有一定程度的減小，這符合前面的推論。

圖7 隔艙裝載工況貨艙調(diào)整前后彎矩對(duì)比

4.2 重貨均質(zhì)裝載工況彎矩

貨艙艙容調(diào)整前后重貨均質(zhì)裝載工況彎矩曲線見圖8。從圖8可以得知，決定工況3號(hào)艙破損的最大彎矩因?yàn)?號(hào)貨艙艙容無(wú)變化，所以彎矩曲線幾乎沒有變化。決定工況4號(hào)艙破損的最大彎矩在4號(hào)貨艙艙容變小后有一定程度的減小，這符合前面的推論。

圖8 重貨均質(zhì)裝載工況貨艙調(diào)整前后彎矩對(duì)比

4.3 重壓載工況彎矩

重壓載工況的彎矩曲線見圖9。從圖9可以得知，決定工況4號(hào)艙破損的最大彎矩在4號(hào)貨艙艙容變小后有一定程度的減小，這與前面的推論是一致的。

4.4 最大彎矩包絡(luò)曲線

重新分艙前后的最大靜水彎矩包絡(luò)曲線見圖10。從圖10可以得知，重新分艙后最大彎矩相對(duì)于初始有約8%的減小，達(dá)到了優(yōu)化的目的。

圖9 重壓載工況貨艙調(diào)整前后彎矩對(duì)比

圖10 貨艙調(diào)整前后最大彎矩曲線對(duì)比

5 結(jié)語(yǔ)

貨艙的分艙布置對(duì)總縱彎矩的大小有重要的影響，而在分艙優(yōu)化設(shè)計(jì)中，給出多種分艙方案再一一對(duì)比選優(yōu)的方法比較耗時(shí)耗力，特別在短周期的設(shè)計(jì)中不太現(xiàn)實(shí)。本文在貨艙均勻分艙的基礎(chǔ)上，基于設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，從完整工況和破艙工況的本質(zhì)著手，通過對(duì)完整和破艙工況的彎矩曲線進(jìn)行比對(duì)分析，從中找出各貨艙貨物量變化對(duì)船體梁靜水彎矩影響規(guī)律，從而明確各貨艙長(zhǎng)度如何調(diào)整才能降低船體梁靜水彎矩，達(dá)到優(yōu)化的目的。 本文所闡述的分析方法，避免了多種分艙方案，對(duì)貨艙的分艙布置設(shè)計(jì)，具有積極的參考意義。