晃蕩對(duì)CSR油船設(shè)計(jì)的影響

焦玲玲，趙路，楊會(huì)，竹亮

(上海外高橋造船有限公司，上海 200137)

液艙晃蕩主要由船舶運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致液艙內(nèi)液體自由運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的加速度引起。晃蕩運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的壓力可分為由于縱向運(yùn)動(dòng)引起的晃蕩壓力和由于橫向液體運(yùn)動(dòng)引起的晃蕩壓力。對(duì)于橫向結(jié)構(gòu)，僅考慮其受到液體縱向運(yùn)動(dòng)的作用；對(duì)于縱向結(jié)構(gòu)，僅考慮其受到液體橫向運(yùn)動(dòng)的作用。由液體橫向和縱向運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的晃蕩壓力假定為獨(dú)立作用，因此結(jié)構(gòu)構(gòu)件應(yīng)基于液體橫向和縱向運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的最大晃蕩壓力進(jìn)行評(píng)估。晃蕩載荷在實(shí)際計(jì)算過(guò)程中以靜載荷的形式進(jìn)行計(jì)算和強(qiáng)度評(píng)估。晃蕩載荷會(huì)引起局部尺度的增加，應(yīng)考慮避免硬點(diǎn)、切口和其他有害的應(yīng)力集中。按照規(guī)范要求，所有液貨艙、壓載艙，以及其他體積大于100 m3的液艙，均應(yīng)考慮液艙晃蕩壓力。

1 晃蕩載荷

無(wú)論液體是縱向運(yùn)動(dòng)還是橫向運(yùn)動(dòng)，所引起的晃蕩壓力pslh-lng，均應(yīng)在液艙總深度范圍內(nèi)取常量值，且該值應(yīng)取充裝高度從0.05～0.95hmax之間，以0.05hmax步長(zhǎng)遞增計(jì)算所得晃蕩壓力的大者。

1.1 縱向液體運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的晃蕩壓力

1.1.1 適用范圍

由于液體縱向運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的晃蕩壓力pslh-lng，適用于密性橫艙壁和橫向制蕩艙壁兩者上的水平桁，以及距離橫艙壁一定距離的縱艙壁、甲板和內(nèi)殼的板及骨材等構(gòu)件。此處，《散貨船和油船結(jié)構(gòu)共同規(guī)范》(以下簡(jiǎn)稱CSR[1])根據(jù)液體晃蕩的特點(diǎn)，將液貨艙兩側(cè)橫艙壁及其臨近構(gòu)件以及制蕩艙壁及其臨近構(gòu)件分開(kāi)考慮。縱艙壁、內(nèi)底板等構(gòu)件朝向液艙的一側(cè)無(wú)主要支撐構(gòu)件，因此晃蕩載荷作用的范圍為0.25lslh；其他有強(qiáng)框架等主要支撐構(gòu)件作用的大板晃蕩載荷作用的范圍為一個(gè)強(qiáng)框架的范圍。此處，第一強(qiáng)框架主要作用為反射晃蕩。

1.1.2 橫艙壁處的晃蕩壓力

在特定的充裝高度下，由于液體縱向運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的在橫艙壁(包括制蕩艙壁)處的晃蕩壓力pslh-lng主要取決于有效晃蕩長(zhǎng)度lslh，見(jiàn)表1。

表1 有效晃蕩長(zhǎng)度lslh

nWT為有效晃蕩長(zhǎng)度與液艙內(nèi)橫向制蕩艙壁的數(shù)目；nwf為液艙內(nèi)不含制蕩艙壁的橫向強(qiáng)框架的數(shù)目；fwf為橫向強(qiáng)框架和橫向制蕩艙壁數(shù)目的系數(shù)；ltk-h為所考慮充裝高度處的液艙長(zhǎng)度，與結(jié)構(gòu)形狀及開(kāi)孔面積相關(guān)的橫向制蕩艙壁系數(shù)αWT和橫向強(qiáng)框架系數(shù)αwf有關(guān)。

當(dāng)液艙內(nèi)設(shè)置一個(gè)制蕩艙壁，同時(shí)液艙長(zhǎng)度和強(qiáng)框布置確定時(shí)，此時(shí)橫向制蕩艙壁處的晃蕩長(zhǎng)度僅與強(qiáng)框架處橫剖面開(kāi)口與所考慮的充裝高度以下的總面積有關(guān)，即強(qiáng)框架的結(jié)構(gòu)形式相關(guān)。而橫向密性艙壁處的有效晃蕩長(zhǎng)度與強(qiáng)框架與制蕩艙壁的結(jié)構(gòu)形式均有關(guān)。換言之，即制蕩艙壁的晃蕩載荷和強(qiáng)框架結(jié)構(gòu)形式有關(guān)，水密艙壁的晃蕩載荷與強(qiáng)框架和制蕩艙壁的制蕩效果均有關(guān)，強(qiáng)框形狀影響占比更大。這對(duì)于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)初期方案選型具有重要意義。

1.1.3 臨近橫艙壁的內(nèi)部強(qiáng)框架和橫向水平桁上的晃蕩壓力

對(duì)于設(shè)有內(nèi)部強(qiáng)框架的液艙，由于液體縱向運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的作用在與橫艙壁或制蕩艙壁臨近的強(qiáng)框架或橫向水平桁上的晃蕩壓力pslh-wf，與橫艙壁到所考慮的強(qiáng)框架距離有關(guān)。此處因油船液貨艙水密艙壁0.25lslh之內(nèi)晃蕩壓力的不同，油船水密艙壁艙壁前后檔主要支撐構(gòu)件的板及骨材的晃蕩載荷需特殊考慮。

1.2 橫向液體運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的晃蕩壓力

由于液體橫向運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的晃蕩壓力pslh-t，適用的各類構(gòu)件和1.1.1類似。液貨艙一側(cè)有主要支撐構(gòu)件的大板其晃蕩載荷作用范圍為一個(gè)縱桁，在液貨艙一側(cè)無(wú)主要支撐構(gòu)件支撐的大板，其晃蕩載荷作用范圍為0.25bslh。

2 晃蕩壓力

超大型油船(簡(jiǎn)稱VLCC)通常有2道縱艙壁，將貨艙分為中貨艙和左、右邊貨艙。下面以VLCC貨艙為例，分析晃蕩壓力的載荷水平。

2.1 中貨艙晃蕩壓力

VLCC中貨艙橫艙壁處及臨近橫艙壁的內(nèi)部強(qiáng)框架和橫向水平桁上的晃蕩壓力最大值均出現(xiàn)在75%hmax裝載，為84.3，60.7 kPa；所述VLCC貨艙含強(qiáng)框與橫撐[2]，縱向不設(shè)置制蕩艙壁，橫向晃蕩最大值為41.6 kPa，出現(xiàn)在70%hmax裝載。

2.2 邊貨艙晃蕩壓力

所述VLCC左、右邊貨艙含1道制蕩艙壁，其邊貨艙橫艙壁處以及臨近橫艙壁的內(nèi)部強(qiáng)框架和橫向水平桁上的縱向晃蕩壓力最大值均出現(xiàn)在85%hmax裝載，分別為83.9，60.8 kPa；制蕩艙壁處與制蕩艙壁臨近的強(qiáng)框架或橫向水平桁上的縱向晃蕩壓力最大值均出現(xiàn)在70%hmax裝載，分別為42.9 kPa和26 kPa。

由于bslh/B=0.3,pslh-t=0，因此對(duì)于邊貨艙，水密縱艙壁上的橫向晃蕩應(yīng)為20 kPa。

3 晃蕩影響的結(jié)構(gòu)

3.1 液貨艙的布置

所述晃蕩壓力針對(duì)液體自由運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生晃蕩壓力，不考慮由于高速?zèng)_擊液艙邊界或內(nèi)部結(jié)構(gòu)所引起的沖擊壓力。對(duì)于最大有效晃蕩寬度bslh大于0.56B或最大有效晃蕩長(zhǎng)度lslh大于0.13L，裝載在0.05～0.95hmax的任一充裝高度的液艙，必須根據(jù)船級(jí)社的程序進(jìn)行附加的沖擊評(píng)估。當(dāng)有效晃蕩長(zhǎng)度lslh小于0.03L時(shí)，不必進(jìn)行關(guān)于液體縱向晃蕩引起的晃蕩載荷pslh-lng；當(dāng)有效晃蕩寬度bslh小于0.32B時(shí)，不必進(jìn)行關(guān)于液體橫向晃蕩引起的晃蕩載荷計(jì)算pslh-t。

在船型開(kāi)發(fā)初期，需考慮晃蕩載荷對(duì)不同級(jí)別船型液貨艙分艙布置的影響。

本文選取不同載重噸級(jí)油船阿芙拉型油船(Aframax tanker)、蘇伊士型油船(Suezmax tanker)、VLCC三種典型油船以CSR為基礎(chǔ)，對(duì)晃蕩相關(guān)的主要參數(shù)進(jìn)行對(duì)比，見(jiàn)表2。此處阿芙拉型和蘇伊士型油船左、右液貨艙晃蕩情況不同，將較嚴(yán)重的艙作為典型艙室。

表2 油船液貨艙晃蕩相關(guān)主要參數(shù) m

由表2可見(jiàn)，阿芙拉型油船和蘇伊士型油船的最大艙長(zhǎng)均小于0.13L，最大艙寬也小于0.56B，因此阿芙拉型油船和蘇伊士型油船貨艙內(nèi)部結(jié)構(gòu)只需考慮晃蕩壓力計(jì)算即可。

而VLCC的最大艙長(zhǎng)為51.03 m大于0.13L，最大艙寬均小于0.56B，因此VLLC需重點(diǎn)考慮和解決貨艙內(nèi)的縱向晃蕩。以上VLCC邊貨艙的晃蕩數(shù)據(jù)是含一道制蕩艙壁的結(jié)果。經(jīng)過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn)，如果邊貨艙不含制蕩艙壁，則有效晃蕩長(zhǎng)度為51.03 m，橫艙壁處及其臨近構(gòu)件的縱向晃蕩壓力最大值均出現(xiàn)在70%hmax裝載，分別為149.4 kPa和118 kPa，相比設(shè)置制蕩艙壁晃蕩載荷增大近一倍，需按照要求進(jìn)行晃蕩沖擊評(píng)估。可見(jiàn)設(shè)置制蕩艙壁的效果非常明顯。

3.2 制蕩艙壁及其臨近構(gòu)件

VLCC通常會(huì)在貨艙中部設(shè)置橫向制蕩艙壁，以減少貨艙內(nèi)液體的晃蕩，并減輕液體對(duì)周圍結(jié)構(gòu)的沖擊。常規(guī)制蕩艙壁作為液艙內(nèi)的穿孔艙壁，為局部艙壁，該位置同時(shí)保留甲板強(qiáng)橫梁。作為具備制蕩作用的非水密艙壁，要求制蕩艙壁上的開(kāi)口具有較大的半徑，開(kāi)口面積總和不小于艙壁面積的10%，確保液體在制蕩艙壁兩側(cè)可以正常流動(dòng)。

3.2.1 制蕩艙壁的高度

已經(jīng)論證制蕩艙壁處與制蕩艙壁臨近的強(qiáng)框架或橫向水平桁上的晃蕩壓力最大值均出現(xiàn)在70%hmax裝載，以VLCC邊貨艙晃蕩計(jì)算為例，在各參數(shù)不變的情況下，艙高為27.7 m，以制蕩艙壁距離雙層底的高度為變量，得出不同制蕩艙壁高度對(duì)應(yīng)的晃蕩載荷及有效晃蕩長(zhǎng)度,見(jiàn)表3。

表3 制蕩艙壁高度對(duì)晃蕩載荷

從表3中可以得出以下結(jié)論。

1)制蕩艙壁越高，對(duì)液體運(yùn)動(dòng)的制蕩作用越大，晃蕩載荷越小。

2)表格內(nèi)制蕩艙壁pslh-lng和鄰制蕩艙壁強(qiáng)框pslh-wf為定值，驗(yàn)證了制蕩艙壁與鄰制蕩艙壁強(qiáng)框構(gòu)件的晃蕩載荷大小與制蕩艙壁結(jié)構(gòu)形式無(wú)關(guān)。

3)當(dāng)制蕩艙壁高度為30%艙高即8.31 m時(shí)，有效晃蕩長(zhǎng)度為42.14 m大于0.13L即41.614 m，此時(shí)，制蕩艙壁已經(jīng)不能有效減少液艙內(nèi)的縱向晃蕩，需要進(jìn)行晃蕩沖擊計(jì)算，制蕩艙壁高度為20%和10%艙高情況相同。因此，制蕩艙壁高度不可一味降低，當(dāng)高度低到一定位置時(shí)，已不具備有效較少晃蕩的作用。

3.2.2 制蕩艙壁局部開(kāi)孔

根據(jù)1.1.2結(jié)論水密艙壁的晃蕩載荷大小與強(qiáng)框架和制蕩艙壁的結(jié)構(gòu)形式均有關(guān)。

VLCC中nWT=1，nwf=7，fwf=3.5,考慮在制蕩艙壁[3]底部新增開(kāi)孔，按開(kāi)孔大小的不同依次列為方案一、二、三，詳見(jiàn)表4。

由表4可以看出，pslh-lng在方案一情況下增加

表4 制蕩艙壁高度對(duì)晃蕩載荷

最多為16%，即97.51 kPa，所以在保證晃蕩效果和輕量化設(shè)計(jì)可以考慮開(kāi)孔的設(shè)計(jì)方案。

同時(shí)采用有限元分析方法對(duì)此處未開(kāi)孔、帶大趾端開(kāi)孔、不落地開(kāi)孔三種制蕩艙壁方案進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果表明，制蕩艙壁開(kāi)孔后對(duì)制蕩艙壁附近構(gòu)件的屈曲和屈服些許影響，但影響有限；制蕩艙壁不落地開(kāi)孔形式優(yōu)于帶大趾端開(kāi)孔形式，更優(yōu)于無(wú)趾端開(kāi)孔形式。因此，此處應(yīng)根據(jù)生產(chǎn)設(shè)計(jì)需要，對(duì)制蕩艙壁的結(jié)構(gòu)形式作出修改和調(diào)整。

4 結(jié)論

1)晃蕩所引起的結(jié)構(gòu)響應(yīng)問(wèn)題一直是液貨船重點(diǎn)關(guān)注的技術(shù)問(wèn)題之一。CSR規(guī)范將晃蕩載

荷簡(jiǎn)化成靜載荷進(jìn)行計(jì)算和評(píng)估，對(duì)于非CSR的船型，晃蕩及結(jié)構(gòu)響應(yīng)的作用機(jī)理基本一致，具體要求參照相應(yīng)規(guī)范規(guī)則。

2)通過(guò)對(duì)三種典型油船的晃蕩載荷進(jìn)行分析，明確了不同船型的艙壁及強(qiáng)框的布置與設(shè)計(jì)要求，對(duì)VLCC制蕩艙壁的設(shè)計(jì)合理性探討可為設(shè)計(jì)初期方案選型提供參考。

3)液艙晃蕩不僅涉及到總體分艙設(shè)計(jì)，更要綜合考慮工程實(shí)際。在實(shí)際項(xiàng)目中，更需要在優(yōu)先考慮船東運(yùn)營(yíng)情況的前提下，兼顧總體布置和結(jié)構(gòu)專業(yè)優(yōu)化設(shè)計(jì)的協(xié)調(diào)平衡。

4)篇幅有限，未對(duì)船舶運(yùn)動(dòng)固有周期與液艙內(nèi)液體運(yùn)動(dòng)周期進(jìn)行晃蕩諧振分析，在簡(jiǎn)化液艙晃蕩載荷為靜載荷時(shí)，要確保晃蕩未導(dǎo)致液艙內(nèi)液體出現(xiàn)明顯的液面變化及載荷增加。