內(nèi)容提要:結(jié)合散裝谷物船舶運(yùn)輸中的實(shí)際裝載情況,具體分析了谷物的相關(guān)特性和我國(guó)現(xiàn)行的《國(guó)際航行海船法定檢驗(yàn)技術(shù)規(guī)則》對(duì)于散裝谷物船舶穩(wěn)性校核的要求,建立了穩(wěn)性計(jì)算的數(shù)學(xué)模型,運(yùn)用VisualBasic6.0軟件完成了對(duì)非專用散裝谷物船舶裝載穩(wěn)性計(jì)算模擬系統(tǒng)的研究與開(kāi)發(fā)。
關(guān)鍵詞:穩(wěn)性校核 散裝谷物 裝載軟件 穩(wěn)性衡準(zhǔn)
0前言
在當(dāng)今世界船舶貨物運(yùn)輸中,谷物的運(yùn)輸占了很大的比重,谷物的大量運(yùn)輸廣泛采用散裝運(yùn)輸形式。但是由于散裝谷物自身所具有的下沉性和散落性。在船舶航行中,受到船舶搖擺、顛簸、振動(dòng)等的影響,使谷面下沉,谷物的表面也將隨之發(fā)生移動(dòng),從而產(chǎn)生與自由液面類似的影響,嚴(yán)重影響了船舶穩(wěn)性。在惡劣海況下,當(dāng)船舶各艙內(nèi)谷物產(chǎn)生的傾側(cè)力矩超過(guò)一定限度時(shí),甚至可能造成翻船事故。
近年來(lái),由于我國(guó)地域間糧食種類及數(shù)量的供求不平衡性,使得糧食外貿(mào)進(jìn)出口量及內(nèi)貿(mào)調(diào)撥量迅速增加,因此有不少國(guó)際航行的非專用船舶加入從事散裝谷物運(yùn)輸?shù)男辛?。該類船舶由于尺度、貨艙結(jié)構(gòu)、裝載限制等因素的影響,在裝運(yùn)散裝谷物時(shí)船舶的穩(wěn)性條件更差。為有效地防止散裝谷物運(yùn)輸船舶發(fā)生傾覆沉船事故,從1860年起就陸續(xù)有一些國(guó)家和地區(qū)制定了要求強(qiáng)制執(zhí)行的散裝谷物船舶運(yùn)輸規(guī)則。
我國(guó)現(xiàn)行的《國(guó)際航行海船法定技術(shù)檢驗(yàn)規(guī)則》,對(duì)國(guó)際海域航行的散裝谷物船舶的穩(wěn)性的具體要求如下:
任何散裝谷物運(yùn)輸船舶在整個(gè)航程中應(yīng)同時(shí)滿足經(jīng)自由液面修正后:
(1)由于谷物移動(dòng)而產(chǎn)生的船舶橫傾角應(yīng)不大于12º,但對(duì)于1994年1月1日以后建造的船舶還應(yīng)考慮甲板邊緣浸沒(méi)角,取兩者之較小者;
(2)船舶剩余動(dòng)穩(wěn)性S(圖1所示陰影部分面積)應(yīng)不小于0.075m·rad;
(3)經(jīng)對(duì)各液體艙內(nèi)的自由液面影響修正后的初穩(wěn)性高度應(yīng)不小于0.3m。
圖1散裝谷物船舶的完整穩(wěn)性特征
1裝載軟件穩(wěn)性計(jì)算的原理
依據(jù)文獻(xiàn)[1]的要求,作者在VisualBasic6.0軟件的基礎(chǔ)上。開(kāi)發(fā)了非專用散裝谷物船舶裝載穩(wěn)性計(jì)算的模擬系統(tǒng)。其主要計(jì)算流程如圖2所示。
圖2完整穩(wěn)性計(jì)算流程
首先,根據(jù)裝載情況計(jì)算經(jīng)自由液面修正后的初穩(wěn)性高度GM;其次,繪制靜穩(wěn)性曲線(GZ曲線)及谷物移動(dòng)傾側(cè)力臂曲線,再確定右邊界線Θ=Θm;最后,判定由于谷物移動(dòng)引起船舶的橫傾角是否不大于12º(對(duì)于1994年1月1日以后建造的船舶還應(yīng)考慮甲板邊緣浸沒(méi)角,取兩者之較小者),應(yīng)用近似積分計(jì)算三條曲線所圍成的曲邊三角形面積,即剩余動(dòng)穩(wěn)性(圖l中陰影部分)是否不小于0.075m·rad。
1.1初穩(wěn)性高度GM的計(jì)算
根據(jù)文獻(xiàn)[1],散裝谷物在裝載的過(guò)程中應(yīng)進(jìn)行合理的平艙處理.使谷物移動(dòng)的影響減至最低。
一般散裝船舶提供的艙容即為“平艙艙容”。平艙艙容是根據(jù)30º時(shí)的谷物的靜止角計(jì)算所得。而正常情況下大部分谷物靜止角小于30º,有些甚至只有23º。這樣將使實(shí)際使用艙容大于理論上的平艙艙容,往往會(huì)使穩(wěn)性趨于不利。所以,在計(jì)算船舶初穩(wěn)性高度時(shí)應(yīng)該考慮谷物的積載因數(shù)(包括虧艙因數(shù))的影響。在裝載軟件中提供了具有代表性的三種積載因數(shù)即1.25、1.50、1.75m3/t的典型裝載情況的計(jì)算結(jié)果。
在整個(gè)航程中,經(jīng)對(duì)各艙自由液面影響修正后的初穩(wěn)性高度應(yīng)不小于0.3m,或按下列公式求得初穩(wěn)性的值,取其較大值:
式中:L為所有滿載艙的合計(jì)總長(zhǎng),m;B為船舶的型寬,m;SF為積載因數(shù),m3/t;△為排水量,t;Vd為平均空擋深度,m。且Vd在任何情況下不應(yīng)假定小于100mm.其計(jì)算公式為:
Vd=Vdl+0.75×(d-600) (2)
式中:Vd1為標(biāo)準(zhǔn)空擋深度(mm),見(jiàn)表1;d為實(shí)際桁材深度;其他同式(1)。
表1標(biāo)準(zhǔn)空擋深度表
l |
O.5 |
1.0 |
1.5 |
2.0 |
2.5 |
3.O |
3.5 |
4.0 |
Vd1 |
570 |
530 |
500 |
480 |
450 |
430 |
430 |
430 |
l |
4.5 |
5.0 |
5.5 |
6.0 |
6.5 |
7.O |
7.5 |
8.0 |
Vd1 |
430 |
430 |
450 |
470 |
490 |
520 |
550 |
590 |
注:l為從艙口端或艙口邊到貨艙邊界的距離(m)。
1.2谷物移動(dòng)橫向傾側(cè)總力矩Mu’的計(jì)算
谷物橫向移動(dòng)傾側(cè)總力矩Mu’是指由于谷物重心發(fā)生橫向移動(dòng),而使船舶產(chǎn)生一靜傾角的傾側(cè)力矩??蓪⒏髋摴任餀M向傾側(cè)力矩%疊加,并加以修正后得到:
Mu’=S(MH*f/SF) (3)
式中:MH為各艙的谷物橫向傾側(cè)體積矩,KN·m;f為修正系數(shù);SF為積載因數(shù),m3/t。
其中修正系數(shù)f隨滿載艙或部分裝載艙的不同,以及谷物重心位置不同而異:
①對(duì)于滿載艙,當(dāng)谷物重心位于艙容中心時(shí),f取1.00;
②對(duì)于滿載艙,當(dāng)谷物重心位于谷物假定下沉后的體積中心時(shí),f取1.06。
③對(duì)于部分裝載艙,應(yīng)補(bǔ)償谷物表面垂向移動(dòng)的不利影響,f取1.12。
1.2.1滿載艙%的計(jì)算
為了計(jì)算裝運(yùn)散裝谷物的船舶由于貨物表面移動(dòng)而產(chǎn)生的不利傾側(cè)力矩,應(yīng)按照文獻(xiàn)[1]進(jìn)行一般假定:
(1)假定谷面下沉:經(jīng)平艙的滿載艙谷面下沉按艙口內(nèi)和艙口外兩部分計(jì)算。艙口內(nèi),下沉的平均深度為150mm;艙口外,假定在與水平面小于30º傾角的所有邊界下面有一個(gè)與邊界面平行的空擋Vd。
(2)假定谷物傾側(cè):經(jīng)平艙的滿載艙按谷面與水平面成15º傾側(cè);對(duì)未經(jīng)平艙的滿載艙,在艙口范圍內(nèi)、艙口兩側(cè)按谷面與水平面成15º傾側(cè),在艙口兩端按谷面與水平面成25º傾側(cè)。
根據(jù)上面的假設(shè),將一個(gè)貨艙分為三個(gè)部分,即艙口以前部分、艙口以后部分和艙口內(nèi)及兩側(cè)部分。如圖3所示。
圖3散裝谷物艙的剖面圖
設(shè)各個(gè)部分的傾側(cè)力矩分別為:Ma、Mb和Mc,則谷物橫向傾側(cè)力矩MH=Ma+Mb+Mc。根據(jù)始末空擋面積不變的原理,由各空擋面積及其移動(dòng)距離之乘積可求得各部分的面積矩,再乘以計(jì)算長(zhǎng)度,就得出各部分的體積傾側(cè)力矩。以圖3中艙口后部為例具體分析Mc的計(jì)算方法:
谷物移動(dòng)前的空擋面積=谷物移動(dòng)后的空擋面積,即:
Vd×AC=1/2BC×CD (4)
CD=BC×tanθ (5)
將以上兩式進(jìn)行聯(lián)立求得:
空擋中心移動(dòng)的距離為:
假設(shè)艙口后部的長(zhǎng)為l,按規(guī)定取口=15º,則艙口后部的橫向傾側(cè)力矩為:
由上式可以看出,滿載艙的橫向傾側(cè)力矩主要和艙室的大小、形狀,以及艙口所處的位置有關(guān)。如采取了縱向隔壁等止移措施,應(yīng)在計(jì)算中充分考慮其影響。
同理可得出Ma和Mb,即可計(jì)算出谷物總的橫向傾側(cè)力矩。
1.2.2部分裝載艙%的計(jì)算
根據(jù)文獻(xiàn)[1]規(guī)定,部分裝載艙的谷物移動(dòng)后,假定谷物表面與水平面成25º角,其計(jì)算方法和過(guò)程與滿彰艙相似。然而,在實(shí)際的裝載過(guò)程中.對(duì)部分裝載艙通常采取了相應(yīng)的止移措施(如加縱隔壁或谷物表面壓包等),這就對(duì)計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生了影響。為了方便計(jì)算,可以采用文獻(xiàn)[1]提供的近似計(jì)算公式:
MH=∑0.0177libi3 (9)
式中:li為各部分裝載艙的長(zhǎng)度(m);bi為各部分裝載艙谷物表面的最大寬度(m)。
1.3橫傾角以和剩余動(dòng)穩(wěn)性值S的計(jì)算
橫傾角θh的計(jì)算一般采用兩種方法,即作圖法和公式法。由于作圖法求取過(guò)程較繁瑣,在軟件開(kāi)發(fā)中采用了公式法,并加以修正,可以獲得較精確的計(jì)算結(jié)果。
橫傾角θh的計(jì)算公式為:
θh=arctan(SMu'/△GM) (10)
式中:GM為經(jīng)自由液面修正后的初穩(wěn)性高度:△為船舶實(shí)際排水量。
由式(3)得出谷物橫向傾側(cè)力矩值SMu'后,即可由公式(10)求得船舶的橫傾角。
如圖l所示,陰影部分的面積即為剩余動(dòng)穩(wěn)性值,在軟件中已知靜穩(wěn)性曲線,只需求右邊界,再用積分相加的方法即可得出。
文獻(xiàn)[1]規(guī)定:右邊邊界線是一條垂直于橫坐標(biāo)軸的直線。其橫坐標(biāo)值以按下列公式(11)確定:
θm=min{θGZ'max,θf,40º} (11)
式中:θGZ'max為船舶復(fù)原力臂和谷物移動(dòng)傾側(cè)力臂之間縱坐標(biāo)差值(即船舶剩余復(fù)原力臂GZ')最大處所對(duì)應(yīng)的橫傾角;θf為規(guī)則定義的船舶進(jìn)水角,指在船體、上層建筑或甲板上不能關(guān)閉成風(fēng)雨密的開(kāi)口(不能發(fā)生連續(xù)進(jìn)水的小型開(kāi)口除外)浸沒(méi)時(shí)的橫傾角,可以在船舶穩(wěn)性報(bào)告書中根據(jù)排水量查進(jìn)水角曲線求得。
在橫坐標(biāo)θh~θm范圍內(nèi)將曲線橫向六等分,并分別量取各等分處船舶剩余復(fù)原力臂值(即GZθ-λθ),隨后,按辛浦生第一法則計(jì)算,即:
S=x/3(y0+4y1+2y2+4y3+2y4+4y5+y6)*Π/180 (12)
式中:x為在橫坐標(biāo)θh~θm范圍內(nèi)將曲線六等分的等分間距;y0,yl…y6為橫坐標(biāo)θh~θm范圍內(nèi)將曲線橫向六等分的每一垂線處量取的船舶剩余復(fù)原力臂值(m)。
2裝載軟件計(jì)算實(shí)例
在上述理論的基礎(chǔ)上,該軟件通過(guò)運(yùn)用大量的插值算法,依托于軟件的互動(dòng)式操作界面,更加方便快捷地得出精確計(jì)算結(jié)果。本文I)A 23 000DWT散貨船的相關(guān)參數(shù)為例,介紹散裝谷物船穩(wěn)性計(jì)算軟件的應(yīng)用。
2.1船體主要量度
總長(zhǎng)159.90m 設(shè)計(jì)吃水9.80m
垂線間長(zhǎng)149.80m 滿載排水量29 849.10t
設(shè)計(jì)水線長(zhǎng)154.00m 空船重量5 779.50t
型寬24.40m 總噸位15824t
型深14.00m 額定功率4400kW
2.2 物穩(wěn)性計(jì)算
首先,打開(kāi)軟件配載界面(如圖4),輸入各個(gè)艙室相對(duì)應(yīng)的液面高度、貨物重量、密度(包括海水密度、貨物密度、油類密度)、貨艙的積載因數(shù)等,并點(diǎn)擊選擇相應(yīng)的貨艙中谷物重心位置和液艙液面慣性矩設(shè)定。計(jì)算時(shí),軟件能自動(dòng)從船舶數(shù)據(jù)庫(kù)中讀人相關(guān)配載數(shù)據(jù),并據(jù)此進(jìn)行三次樣條插值計(jì)算,并在模擬裝載界面同步顯示出模擬裝載狀態(tài)。
圖4配載界面
然后,在配載界面上用鼠標(biāo)點(diǎn)擊啼(下一步)按鈕,則開(kāi)始按照上述的計(jì)算原理進(jìn)行相應(yīng)的谷物穩(wěn)性計(jì)算,在界面(如圖5)上顯示出穩(wěn)性校核的結(jié)果、GZ曲線和初穩(wěn)性高度曲線等。
圖5谷物穩(wěn)性計(jì)算結(jié)果
最后,軟件將計(jì)算出的初穩(wěn)性高度、橫傾角和假定傾側(cè)力矩等參數(shù)與國(guó)內(nèi)法規(guī)規(guī)定值進(jìn)行比較,如果參數(shù)數(shù)值超過(guò)了法規(guī)規(guī)定值。軟件能自動(dòng)發(fā)出報(bào)警。
選取積載因數(shù)1.25滿載不平艙出港狀態(tài)下的谷物船的穩(wěn)性計(jì)算結(jié)果,以及和裝載手冊(cè)比較的誤差分析如表2所示:
表2積載因數(shù)1.25滿載不平艙出港
項(xiàng)目 |
計(jì)算結(jié)果 |
裝載手冊(cè)結(jié)果 |
計(jì)算誤差% |
重心縱坐標(biāo),m |
74.79 |
74.79 |
0 |
重心垂坐標(biāo),m |
8.395 |
8.395 |
0 |
修正后的重心高,m |
8.539 |
8.539 |
O |
修正后的GM值,m |
1.773 |
1.786 |
0.73 |
排水量/t |
30531.9 |
30532 |
0 |
首吃水,m |
9.2252 |
9.222 |
0.03 |
尾吃水,m |
10.709 |
10.714 |
0.05 |
平均吃水,m |
9.967 |
9.968 |
0.01 |
縱傾,m |
1.485 |
1.492 |
0.47 |
橫傾角,(º) |
5.109 |
5.1 |
0.18 |
進(jìn)水角,(º) |
39.14 |
39 |
0.36 |
甲板邊緣進(jìn)水角/(º) |
16.308 |
16.6 |
1.76 |
剩余動(dòng)穩(wěn)性面積/m·rad |
0.332 |
0.33l |
0.3 |
實(shí)際橫傾力矩/KN·m |
5029.771 |
5030.3 |
0.01 |
此外,軟件還提供了船舶靜水力曲線、邦金曲線、艙容曲線、穩(wěn)性橫交曲線、甲板進(jìn)水角曲線、極限重心高曲線的顯示和查詢功能,并能進(jìn)行裝載時(shí)的強(qiáng)度(剪力和彎矩)校核。
3結(jié)束語(yǔ)
綜上所述,該軟件的應(yīng)用可以大大提高船舶的配載效率,有效地保證船舶散裝谷物運(yùn)輸安全,減輕了配載人員在船舶裝載時(shí)的勞動(dòng)強(qiáng)度,提高了配載質(zhì)量。
本文對(duì)于散裝谷物船的穩(wěn)性計(jì)算主要依據(jù)我國(guó)現(xiàn)行的國(guó)際航行海船法定檢驗(yàn)技術(shù)規(guī)則所提供的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行,在一些參數(shù)的計(jì)算方法上還有待進(jìn)一步改進(jìn)。相信隨著計(jì)算機(jī)智能化的發(fā)展,散裝谷物船的穩(wěn)性計(jì)算一定會(huì)更加準(zhǔn)確,裝載軟件的自動(dòng)化模擬功能也將更加完善。
作者:武漢理工大學(xué) 謝俊超 周瑞平 葉孟陽(yáng) 來(lái)源:航海技術(shù)