基于概率破損穩(wěn)性的集裝箱船優(yōu)化分艙研究

孫家鵬，夏益美

（上海船舶研究設(shè)計(jì)院，上海 201203）

0 引 言

通過對(duì)我院近年設(shè)計(jì)的一系列集裝箱船的研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)于3000箱以下的常規(guī)支線型箱船，其結(jié)構(gòu)吃水時(shí)的裝載能力（重箱數(shù)，一般以14t均箱數(shù)考核）往往取決于破艙穩(wěn)性而不是完整穩(wěn)性。重箱數(shù)是船東最為關(guān)心的指標(biāo)之一，因此如何提高分艙指數(shù)就顯得尤為重要。

目前干貨船和客船的破損穩(wěn)性均按SOLAS 2009[1]進(jìn)行評(píng)估，該方法相對(duì)于2009年1月1日之前鋪設(shè)龍骨的船所使用的SOLAS92方法更為嚴(yán)格。從破損穩(wěn)性最新的研究動(dòng)態(tài)[2,3]可以看出，SOLAS 2009在基本概念上沒有大的更新（如分艙指數(shù)、破損概率、生存概率等），因此中小型箱船的破損穩(wěn)性問題將在今后很長一段時(shí)間內(nèi)依然存在。

除了調(diào)整初始狀態(tài)，改變開口位置等簡單的方法外，提高分艙指數(shù)最有效的方法是合理的分艙。由于計(jì)算的復(fù)雜性，分艙型式一般在簽訂合同之后不可能再更改，因此該工作必須提前到前期的研發(fā)設(shè)計(jì)階段來做。

已有人對(duì)不同的船型做了破損穩(wěn)性的分析。文獻(xiàn)[4]中對(duì)駁船的優(yōu)化分艙做了3個(gè)變量的分析，其方法是值得借鑒的，然而，其他船型不能照搬，其一，它是基于SOLAS92規(guī)則；其二，駁船的分艙具有任意性。已發(fā)表的對(duì)于SOLAS 2009的研究主要還是針對(duì)新老規(guī)范計(jì)算的比對(duì)[5～8]，對(duì)如何優(yōu)化分艙沒有過多地提及。

綜上，針對(duì)支線型集裝箱船的特點(diǎn)，按SOLAS 2009規(guī)范的計(jì)算方法，對(duì)大量的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行變量的敏感度分析，總結(jié)出各個(gè)因素對(duì)分艙指數(shù)（以下簡稱A值）的影響，使設(shè)計(jì)者在前期研發(fā)設(shè)計(jì)時(shí)心中有數(shù)，有的放矢，是一件很有意義的工作。

1 計(jì)算模型及工具

用于研究的初始模型為我院研發(fā)設(shè)計(jì)且已獲訂單的某2500TEU節(jié)能環(huán)保支線型集裝箱船，其主要參數(shù)如表1所示，初始狀態(tài)如表2所示。

基本計(jì)算由NAPA（the Naval Architectural Package）軟件完成。NAPA是芬蘭某公司的一個(gè)著名的船舶性能設(shè)計(jì)軟件，目前多數(shù)知名船級(jí)社如CCS、GL、LR、NK等均使用該軟件做穩(wěn)性方面的審圖工作。

表1 主要參數(shù)

表2 計(jì)算的初始狀態(tài)

2 魯棒性分析

破損穩(wěn)性的計(jì)算目前雖已有比較成熟可靠的計(jì)算軟件，但是從修改模型，布置開口位置，劃分分區(qū)直至往往幾百種破損組合的計(jì)算仍需要大量的時(shí)間。

對(duì)該船的原始模型進(jìn)行簡化，如艉部的油艙并入機(jī)艙，忽略貨艙區(qū)的通道，合并艏部的儲(chǔ)藏室等，從而將含有120多個(gè)分艙的模型簡化為只有50個(gè)分艙的模型。簡化后的模型如圖1所示。

原模型及簡化后模型的計(jì)算結(jié)果如表3所示。從結(jié)果來看，在方案設(shè)計(jì)階段使用簡化模型進(jìn)行計(jì)算分析是可行的，同時(shí)更為重要的是，簡化的模型為二次開發(fā)提供了可行性，可以通過參數(shù)化設(shè)計(jì)在短時(shí)間內(nèi)得到大量的計(jì)算結(jié)果。

圖1 簡化模型

表3 A值的前后對(duì)比

另外，基于以上的簡化模型，在保持排水量不變的情況下，保持箱船的特性，在一個(gè)小范圍內(nèi)進(jìn)行了簡單的型線變換，可以得到與下文相同的結(jié)論，因此本文所給的結(jié)論是有參考意義的。

3 分艙優(yōu)化

支線型箱船首部和尾部長度比較固定，艏部長度主要考慮錨系泊的布置及防撞艙壁長度的要求，艉部長度主要取決于機(jī)艙及艉系泊的布置。因此，優(yōu)化分艙主要考慮貨艙的數(shù)量及位置、二甲板的高度、邊艙的寬度、雙層底的高度等。

3.1 貨艙數(shù)量及位置

3.1.1 水密橫艙壁數(shù)量的影響

箱船為布置型船，貨艙長度不能隨意劃分，一般以4 bay或2 bay的長度進(jìn)行劃分。

為便于研究問題，先將貨艙區(qū)域等距分化為3～9個(gè)貨艙，壓載艙及邊艙的數(shù)量與貨艙數(shù)目相對(duì)應(yīng)。從圖2可以看出，當(dāng)?shù)染鄼M艙壁數(shù)量從3個(gè)增為4個(gè)時(shí)，A值急劇的增大（通過對(duì)破損詳情分析發(fā)現(xiàn)，主要原因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)吃水時(shí)單區(qū)破損的貢獻(xiàn)增大）；當(dāng)橫艙壁數(shù)量從7個(gè)增加為8個(gè)時(shí)，A值有較大的提升（主要源于2區(qū)連破的貢獻(xiàn)增大），當(dāng)貨艙數(shù)目超過8個(gè)，A基本保持不變。

考慮到要求的分艙指數(shù)，初步認(rèn)為4～6個(gè)貨艙是合適的，聯(lián)合考慮合理的布置，將該船分為5個(gè)貨艙，即4個(gè)約4 bay長度的貨艙及1個(gè)約2 bay長度的貨艙。

3.1.2 水密橫艙壁位置的影響

根據(jù) SOLAS 2009，艏艉破損概率最大，中間破損概率相同[9]。箱船首部型線非常削瘦，貨艙容積相對(duì)小得多（如本模型2 bay長度的艏部貨艙只有船中部同樣長度貨艙容積的40%），因此為了能獲得較大生存概率S，適當(dāng)?shù)卦黾郁钾浥摰拈L度是有益的。

基于圖2中9個(gè)等距橫艙壁的模型，從船首向船尾方向，分別減少一個(gè)水密橫艙壁來分析其變化對(duì)A值的影響。從圖3中可以看出最為“敏感”的位置是在貨艙區(qū)的舯前部分而不是艏貨艙。

圖2 不同數(shù)量的等距橫艙壁對(duì)A值的影響

圖3 不同位置減少一個(gè)橫艙壁對(duì)A值的影響

將5個(gè)貨艙的各種情況組合進(jìn)行計(jì)算，其結(jié)果如表4所示。其中Case 1表示1貨艙為2 bay長度的小艙，其余貨艙為4 bay長度的大艙，以此類推。從結(jié)果可以看出，1貨艙較小時(shí)A值最小，從而進(jìn)一步驗(yàn)證了上述結(jié)論。當(dāng)然，最終的分艙還要綜合考慮克令吊的布置、危險(xiǎn)品的裝載等情況。

表4 不同貨艙組合的A值

3.2 邊壓載艙寬度

從圖4中可以看出，適當(dāng)?shù)販p小邊艙寬度會(huì)帶來較大的A值。通過對(duì)破損詳情分析發(fā)現(xiàn)，邊艙寬度較小時(shí)，當(dāng)一個(gè)或幾個(gè)邊艙單獨(dú)破損時(shí)船舶會(huì)“生存”；邊艙寬度較大時(shí)，則由于不對(duì)稱進(jìn)水量的增多導(dǎo)致了S值的下降。

需要注意的是，箱船邊艙的寬度比較固定，考慮到經(jīng)濟(jì)性，通常不會(huì)為了提高破損穩(wěn)性而去改變邊艙的寬度。從上面的分析可以得出，減小邊艙長度（例如將一個(gè)貨艙區(qū)域的邊艙一分為二）可以降低不對(duì)稱進(jìn)水量，從而提高分艙指數(shù)A。

3.3 二甲板的高度

二甲板視為水平分隔。根據(jù)SOLAS 2009，若水平分隔低于相應(yīng)的初始狀態(tài)的吃水，則認(rèn)為是小范圍破損，對(duì)于A沒有貢獻(xiàn)。從圖5中可以看出，當(dāng)水平分隔大于結(jié)構(gòu)吃水11.5m時(shí)，水平分隔對(duì)于3種狀態(tài)的破損均有益處。當(dāng)水平分隔高于結(jié)構(gòu)吃水一定程度時(shí)，曲線下降，表明水平分隔以下邊艙（組）單獨(dú)破損的進(jìn)水量過大，S值開始降低。

圖4 邊艙寬度的變化對(duì)A值的影響

圖5 二甲板高度對(duì)A值的影響

3.4 雙層底的高度

雙層底一般低于輕載吃水，因此雙層底的設(shè)置對(duì)A值沒有貢獻(xiàn)，從圖6中可以看出，雙層底升高會(huì)減小分艙指數(shù)。一般來說，在考慮施工及管路等布置方便的同時(shí)，雙層底應(yīng)該盡量地降低以減小貨物重心，但同時(shí)要注意：規(guī)范要求的雙層底的最小高度不得小于船寬的1/20。

圖6 不同高度的雙層底對(duì)A值的影響

3.5 壓載艙的型式

壓載艙主要有圖7中所示的A、B兩種型式。型式A可以細(xì)分為A(1)與A(2)，二者沒有本質(zhì)的區(qū)別，但 A(1)由于底壓載艙重心較低，因此可以適當(dāng)增加裝箱量。型式B相對(duì)于型式A，邊艙延伸到船底。

由于垂向破損時(shí)從船底往上延伸到一定的高度，因此，型式B存在邊艙單獨(dú)破損的情況，而型式A只會(huì)出現(xiàn)邊艙和底艙同時(shí)破損的情況，邊艙單獨(dú)破損作為小范圍破損處理。從表5中可以看出，型式B的A值有一定的提高。但是需要使用所謂的“確定性”方法來檢查這種非常規(guī)底（雙層底沒有延伸至舷側(cè)）布置的S值。

圖7 不同類型的邊艙和雙層底的布置

表5 壓載艙型式對(duì)A的影響

A1-C是在A1的型式下連通左右邊艙，從結(jié)果來看，這種降低不對(duì)稱進(jìn)水的措施提供了生存概率，因此A值有大幅度的提高。

4 結(jié) 語

1) 設(shè)計(jì)初期對(duì)模型進(jìn)行合理的簡化是可行的，同時(shí)可以方便基于簡化的模型進(jìn)行參數(shù)化研究；

2）如果只有一個(gè)2 bay的小貨艙，則不應(yīng)設(shè)為第1貨艙；類似的，若需增加水密橫艙壁（如把4 bay的貨艙一分為二），則分在貨艙中間會(huì)更有益；

3）支線型箱船的貨艙相對(duì)較少，如果邊壓載艙與貨艙是一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，則適當(dāng)減少邊艙的寬度可提高分艙指數(shù)A，考慮到經(jīng)濟(jì)因素，增加邊壓載艙的數(shù)量可達(dá)到同樣的目的；

4）二甲板應(yīng)適當(dāng)?shù)母哂诮Y(jié)構(gòu)吃水，雙層底的高度應(yīng)盡可能的低；

5）邊艙延伸到船底這種布置可以適當(dāng)?shù)靥岣逜值，但要核算底部破損；

6）若A值距要求的分艙指數(shù)R有較大差距，左右舷邊壓載水艙間設(shè)置橫向連通管是一種有效的方法。但設(shè)計(jì)成本會(huì)增加，另外要兼顧船舶航行和裝卸貨時(shí)的調(diào)傾。

[1] IMO, SOLAS Consolidated Edition 2009[S].

[2] Report of the SDS Correspondence Group (United Kingdom) [C]. IMO, SLF 55-8-2.

[3] Report of the SDS Correspondence Group(United Kingdom) [C]. IMO, SLF 55-8-2-Add.1.

[4] 周曉明，等. 駁船的影響概率破艙穩(wěn)性單因素研究[J]. 中國造船，2007, 48 (4): 11-18.

[5] 胡曉倩，等. 新的SOLAS概率破艙穩(wěn)性及其在MiniCAPE型散貨船上的應(yīng)用研究[J]. 船舶工程，2011, (2): 11-24.

[6] 周 瑋. 概率論破艙穩(wěn)性新規(guī)則對(duì)汽車滾裝船的影響及對(duì)策研究[J]. 船舶，2009, (1): 15-18.

[7] 張桂湘. SOLAS2009破艙穩(wěn)性要求對(duì)客滾船設(shè)計(jì)的影響[J]. 船舶設(shè)計(jì)通訊，2010, (12): 15-18.

[8] 周耀華，張高峰，章 程. SOLAS 2009破損穩(wěn)性衡準(zhǔn)對(duì)客滾船設(shè)計(jì)影響分析[J]. 船舶與海洋工程，2012, (2): 58-61.

[9] 孫家鵬. 破艙穩(wěn)性新規(guī)則探討[J]. 上海造船，2009, (80): 28-33.