散貨船貨艙墩布置對(duì)浮態(tài)的影響

陳雨哲，周妍，高斌

（上海船舶研究設(shè)計(jì)院，上海 201203）

0 前 言

散貨船作為一種載重量型船，用于大規(guī)模運(yùn)輸無包裝的貨物，例如礦石、谷物、化肥等，圖1 為某散貨船實(shí)船圖片。 散貨船的經(jīng)濟(jì)性在很大程度上由其載重量和貨艙艙容決定。 為獲取更高的經(jīng)濟(jì)效益，在設(shè)計(jì)方面，散貨船通常會(huì)盡可能縮減機(jī)艙和首尖艙區(qū)域，增加貨艙區(qū)域長(zhǎng)度，并通過優(yōu)化貨艙 區(qū)域的布置，達(dá)到典型裝載工況下的最佳浮態(tài)。

圖1 散貨船實(shí)船圖片

協(xié)調(diào)結(jié)構(gòu)共同規(guī)范（Common Structural Rules for Bulk Carriers and Oil Tankers，CSR-H）將散貨船分為BC-A 型、BC-B 型和BC-C 型等3 類［1］，并對(duì)各類型船舶的裝載進(jìn)行了嚴(yán)格的限定，具體如下：

1）BC-C 型指該船用于裝載密度小于1 t/m3的干散貨；

2） BC-B 型指該船在BC-C 型基礎(chǔ)上，能在所有貨艙中同時(shí)裝載密度不小于1 t/m3的干散貨；

3） BC-A 型指該船在BC-B 型基礎(chǔ)上，能在最大吃水且部分貨艙空艙的情況下， 裝載密度不小于1 t/m3的干散貨。

對(duì)于BC-C 型船，CSR-H 給出了均質(zhì)輕貨滿載工況的要求，即所有貨艙裝載低密度的輕質(zhì)貨物至滿艙，無壓載水，調(diào)節(jié)貨物密度直至船體吃水達(dá)到結(jié)構(gòu)吃水；對(duì)于BC-B 和BC-A 型船，規(guī)范還額外給出了均質(zhì)重貨滿載工況的要求，即所有貨艙裝載密度為3.0 t/m3的均質(zhì)貨物，無壓載水，裝至船體吃水達(dá)到結(jié)構(gòu)吃水。

由于機(jī)艙和首尖艙區(qū)域的縮短，在貨艙區(qū)域均質(zhì)裝載時(shí)，全船重量分布靠前，容易出現(xiàn)首傾。 首傾對(duì)于船舶航行的危害有如下幾點(diǎn)：

1） 容易產(chǎn)生甲板上浪現(xiàn)象，嚴(yán)重情況下可能導(dǎo)致甲板變形和甲板設(shè)備的損壞。

2） 螺旋槳浸沒率降低，從而導(dǎo)致螺旋槳推進(jìn)效率降低，同時(shí)影響散貨船的操縱性。

3） 可能會(huì)導(dǎo)致螺旋槳飛車情況，產(chǎn)生嚴(yán)重的振動(dòng)和噪聲。

4） 目前散貨船線型通常按照尾傾設(shè)計(jì)，航行中出現(xiàn)首傾不利于船舶的快速性和耐波性。

5）降低船首高度，造成船首儲(chǔ)備浮力損失。

按照CSR-H 對(duì)均質(zhì)滿載工況的要求， 總布置和分艙確定之后，船舶浮態(tài)也隨之基本確定，可調(diào)整的幅度很小。 貨艙墩的朝向會(huì)對(duì)浮態(tài)帶來不同的影響，需要分析均質(zhì)重貨滿載工況和均質(zhì)輕貨滿載工況下，貨艙墩不同朝向布置對(duì)船舶的浮態(tài)影響。

1 貨艙墩布置與貨物重心計(jì)算模型

1.1 計(jì)算模型及裝載工況定義

散貨船的貨艙墩分為頂墩和低墩，設(shè)置貨艙墩能夠有效減少槽型艙壁的跨距，改善貨艙角隅處的應(yīng)力分布，減小艙壁的構(gòu)件尺寸。 貨艙墩朝向與槽形艙壁朝向相關(guān)，但槽形艙壁的朝向?qū)ω浳锟傊睾涂傊匦挠绊憳O小。 為簡(jiǎn)化起見，此處僅考慮兩個(gè)相鄰的貨艙區(qū)域，并假定貨艙區(qū)域和貨艙墩形狀均為長(zhǎng)方體，槽形艙壁視為直壁，如圖2 所示。

圖2 貨艙區(qū)域示意圖（側(cè)視圖）

不考慮貨艙墩時(shí)，A、B 貨艙的完整容積分別記為VA、VB，長(zhǎng)度分別為L(zhǎng)A、LB，寬度均為B，高度均為H。 貨艙內(nèi)均質(zhì)裝載貨物，貨物總重恒定不變，記為M。 貨艙頂墩和底墩的體積分別記為V1、V2，長(zhǎng)度分別為l1、l2，高度分別為h1、h2，寬度均為B。 計(jì)算重心縱向坐標(biāo)時(shí)，以A 貨艙左下角角點(diǎn)為原點(diǎn)，船首方向?yàn)檎颉?/p>

均質(zhì)輕貨滿載工況要求貨物裝滿貨艙，而均質(zhì)重貨滿載工況下，貨物通常只能填滿貨艙一部分。 在CSR-H 中，均質(zhì)滿載工況下，重貨的密度為3.0 t/m3，通常為輕貨密度的4～5 倍，裝載重貨時(shí)貨物高度通常為貨艙高度的1/4～1/5，與底墩高度相近。 為簡(jiǎn)化計(jì)算起見，假定裝載重貨時(shí)重貨不高于底墩。 貨艙均質(zhì)滿載工況分為如圖3 所示的4 種情況。

圖3 貨艙均質(zhì)滿載工況示意圖

1.2 均質(zhì)輕貨滿載工況計(jì)算分析

分析均質(zhì)輕貨滿載（工況1 和工況2）。 對(duì)于工況1，A 貨艙內(nèi)貨物重量M1A和重心縱向位置L1A分別為

B貨艙內(nèi)貨物重量M1B和重心縱向位置L1B分別為

工況1 貨物重心縱向位置L1為

分析工況2，貨物總重不變，但重心縱向位置L2變?yōu)?/p>

工況1 和工況2 之間貨物重心變化量ΔLlight為

通過以上推導(dǎo)，可以發(fā)現(xiàn)：

1） 對(duì)均質(zhì)輕貨滿載工況而言，工況1 和工況2中貨物密度、總體積其實(shí)并未發(fā)生變化，可以將工況2 視為在工況1 的基礎(chǔ)上將B 貨艙內(nèi)頂墩和底墩處的貨物由B 貨艙移動(dòng)至A 貨艙，因此產(chǎn)生的重心變化與上述推論是等價(jià)的。

2） 相較于工況1，工況2 的貨物重心更靠近船尾，因此，從盡可能使船體尾傾的角度出發(fā)，貨艙墩朝船首布置有利于均質(zhì)輕貨滿載工況下的船體浮態(tài)。

3）由于貨艙墩的體積和長(zhǎng)度相較于整個(gè)貨艙而言較小，從式（7）可以看出，貨艙墩的朝向?qū)p貨滿載工況的重心調(diào)節(jié)能力較弱。

1.3 均質(zhì)重貨滿載工況計(jì)算分析

分析均質(zhì)重貨滿載（工況3 和工況4）時(shí)，直觀判斷上容易產(chǎn)生誤區(qū)，認(rèn)為工況3 和工況4 之間的差異在于將B 貨艙內(nèi)底墩處的貨物移動(dòng)至A 貨艙，從而推導(dǎo)出工況4 的貨物重心更接近船尾的結(jié)論。但這個(gè)直觀印象并不準(zhǔn)確， 因?yàn)橛晒r3 至工況4的過程中， 不僅底墩范圍內(nèi)的貨物進(jìn)行了移動(dòng)，兩個(gè)貨艙內(nèi)貨物的高度也發(fā)生了變化，相當(dāng)于底墩范圍外，A、B 貨艙貨物高度差之間的貨物也發(fā)生了移動(dòng)。 首先計(jì)算工況3 中A 艙貨物總重M3A和重心縱向位置L3A分別為

B貨艙內(nèi)貨物總重M3B和重心縱向位置L3B分別為

工況3 中，貨物重心縱向位置L3為

分析工況4，A 貨艙貨物總重M4A和重心縱向位置L4A分別為

B貨艙內(nèi)貨物總重M4B和重心縱向位置L4B分別為

工況4 中貨物重心縱向位置L4變?yōu)?/p>

工況3 和工況4 之間貨物重心變化量ΔLheavy為

進(jìn)一步化簡(jiǎn)，可得：

通過以上推導(dǎo)，可得出如下結(jié)論：

1） 對(duì)均質(zhì)重貨滿載工況而言，由于貨艙的尺度遠(yuǎn)大于貨艙墩的尺度，通過式（19）可得，貨艙底墩朝船首布置會(huì)導(dǎo)致貨物重心前移，引起船體尾傾程度減小。 這與均質(zhì)輕貨滿載工況中得到的結(jié)論是恰好相反的，其原因在于，均質(zhì)輕貨滿載工況中，貨艙均為滿艙狀態(tài)， 移動(dòng)的貨物僅限于貨艙墩范圍內(nèi)，但對(duì)于均質(zhì)重貨滿載工況，底墩的朝向會(huì)影響貨物的高度，移動(dòng)的貨物不僅局限于貨艙墩范圍。

2） 從式（19）還可看出，當(dāng)h2?H 時(shí)，ΔLheavy≈，此結(jié)論只在“貨物始終低于底墩”這一假設(shè)下成立。

3）相較于均質(zhì)輕貨滿載，均質(zhì)重貨滿載工況下，調(diào)節(jié)底墩朝向?qū)ω浳镏匦奈恢糜绊懶Ч鼮轱@著。

2 算例驗(yàn)證

以某超靈便型散貨船為例， 該船為BC-A 型散貨船，總長(zhǎng)199.90 m，型寬32.26 m，型深18.90 m，結(jié)構(gòu)吃水13.50 m，共設(shè)置5 個(gè)貨艙、4 組貨艙墩。 該散貨船分艙如圖4 所示。

圖4 某超靈便型散貨船分艙示意圖

采用NAPA 軟件對(duì)該散貨船進(jìn)行建模，分別計(jì)算當(dāng)貨艙墩均朝向船首和朝向船尾時(shí)，船體在均質(zhì)滿載工況下的浮態(tài)。 裝載情況如圖5 和圖6 所示（以貨艙墩均朝向船首為例），可以看出，均質(zhì)重貨滿載工況下，貨物高度略高于底墩高度。

圖5 均質(zhì)輕貨滿載工況（吃水13.5 m，貨物密度0.78 t/m3）

圖6 均質(zhì)重貨滿載工況（吃水13.5 m，貨物密度3 t/m3）

計(jì)算結(jié)果如表1 所示，縱傾值以首傾為正尾傾為負(fù)。 空船重量重心和貨物重量均未變化。

表1 貨艙墩朝向?qū)Υw縱傾影響計(jì)算結(jié)果

可以看出，均質(zhì)輕貨滿載工況下，貨艙墩朝向影響縱傾程度較小， 兩種朝向之間縱傾差值為0.014 m，重心縱坐標(biāo)差值為0.016 m，朝向船首時(shí)，船體尾傾更明顯；均質(zhì)重貨滿載工況下，貨艙墩朝向影響縱傾程度很大， 兩種朝向之間縱傾差值為0.247 m，重心縱坐標(biāo)差值為0.303 m，朝向船尾時(shí)，船體尾傾更明顯。 可以看出，即便均質(zhì)重貨滿載工況下，貨物高度略高于底墩高度，數(shù)學(xué)模型分析中結(jié)論依然成立。

由于貨艙墩的朝向和內(nèi)底板、上甲板和貨艙墩交點(diǎn)處的疲勞相關(guān)，需要優(yōu)先布置在風(fēng)暴艙（該船為No.3 貨艙）和重貨艙（該船為No.1、No.3、No.5 貨艙）中，最后考慮輕貨艙；綜合考量總體和結(jié)構(gòu)兩方面的需求后，本船貨艙墩的布置如圖4 所示，在No.1、No.3、No.4 貨艙內(nèi)布置貨艙墩。 此種布置下，均質(zhì)滿載工況中船體縱傾計(jì)算結(jié)果如表2 所示。 可以看出，實(shí)船均質(zhì)滿載工況下，與表1 中兩種朝向進(jìn)行對(duì)比，同樣符合數(shù)學(xué)模型分析中的結(jié)論。

表2 實(shí)船均質(zhì)滿載工況縱傾計(jì)算結(jié)果

3 結(jié) 語

通過數(shù)學(xué)建模推導(dǎo)和實(shí)際案例驗(yàn)證，貨艙墩朝向?qū)Υw浮態(tài)的影響：

1）貨艙墩朝向?qū)|(zhì)輕貨滿載工況下船體縱傾值影響較小，朝向船首時(shí)，船體尾傾增大；

2）貨艙墩朝向?qū)|(zhì)重貨滿載工況下船體縱傾值影響顯著，朝向船尾時(shí)，船體尾傾增大。

由此看出，貨艙墩的布置對(duì)散貨船的浮態(tài)具有一定調(diào)節(jié)效果，在散貨船設(shè)計(jì)過程中，若出現(xiàn)裝載均質(zhì)輕、重貨不能同時(shí)滿足浮態(tài)（尾傾）要求或同時(shí)滿足有困難時(shí)，改變貨艙墩的朝向，對(duì)改善船舶浮態(tài)具有一定的調(diào)節(jié)作用。