楊源，唐文勇，陸明鋒，沈亞明

(1.上海交通大學(xué) 海洋工程國家重點實驗室，上海 200240;2.南通中遠川崎船舶工程有限公司，江蘇 南通 226005)

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適用于超大型集裝箱船的外飄砰擊規(guī)范要求對比

楊源1,2，唐文勇1，陸明鋒2，沈亞明2

(1.上海交通大學(xué) 海洋工程國家重點實驗室，上海 200240;2.南通中遠川崎船舶工程有限公司，江蘇 南通 226005)

針對超大型集裝箱船在惡劣海況下航行時的外飄砰擊問題，總結(jié)目前各船級社規(guī)范的外飄砰擊強度校核要求的特點，以某超大型集裝箱船為例，對適用各規(guī)范要求下的砰擊壓力和最小板厚要求進行計算對比，分析其間的顯著差異和參數(shù)敏感性，為超大型集裝箱船結(jié)構(gòu)設(shè)計提供參考。

外飄砰擊；超大型集裝箱船；規(guī)范校核

砰擊問題涉及多重復(fù)雜效應(yīng)[1-2],現(xiàn)有的各種計算方法和模型仍稱不上完善和準(zhǔn)確。目前各船級社規(guī)范的砰擊校核要求仍以經(jīng)驗公式為主，但彼此互不相同。無論是各船級社的設(shè)計外飄砰擊壓力還是砰擊的尺寸加強要求都存在著一定的差異[3-4]。相關(guān)研究使用的案例為船長在210～240 m之間的集裝箱船或滾裝船，研究結(jié)果對于更大尺度的船型未必適用。本文中將這些最大裝載量超過10 000 TEU的集裝箱船統(tǒng)稱為超大型集裝箱船。超大型集裝箱船具有顯著艏外飄、大尺度和高航速的特點，可能發(fā)生較嚴(yán)重的外飄砰擊。本文初步調(diào)查了各船級社砰擊規(guī)范要求的理論背景，并以某超大型集裝箱船為例，適用LR，ABS，DNV，BV，CCS，NK6種船級社規(guī)范的外飄砰擊要求進行了名義砰擊壓力和砰擊要求最小板厚的對比計算，并分析砰擊壓力的敏感性因素。

1 當(dāng)前各船級社要求的特點比較

外飄砰擊的規(guī)范要求具體包括名義砰擊壓力計算和最小板厚要求計算兩部分。由于各船級社規(guī)范采用的符號標(biāo)記有所差別，為避免統(tǒng)一符號給查閱相關(guān)公式時造成含義混亂，在本節(jié)內(nèi)的說明保持了各自的標(biāo)記，在本節(jié)以外的分析只使用LR的符號標(biāo)記。

1.1 名義砰擊壓力計算公式

1.1.1 LR

LR的基本公式[6]為

(1)

式(1)的左項代表入水沖擊壓力，以Karman入水沖擊理論[7]和Ochi-Motter方法[8]為基礎(chǔ)，是式(1)的主要貢獻項。當(dāng)?shù)咨铅?10°時，Karman理論下的結(jié)果偏差較大，故LR將船型系數(shù)Kbf由Karman理論中的π/tanψ修正為28(1-tan(2ψ))。計算時，ψ取計算點處的船體橫剖線切向角βp和縱剖線切向角αp中的較大值(見圖1)。式(1)的右項為撞擊沖擊壓力，代表航行時波浪水質(zhì)點沖打船艏外張表面引起的沖擊壓力。

圖1 砰擊相關(guān)角度

1.1.2 ABS

ABS的基本公式[9]為

(2)

(3)

(4)

1.1.3 DNV、BV和CCS

3方壓力公式構(gòu)造比較相似，均由IACS UR S8中滾裝船艏門設(shè)計壓力[10]的最低要求公式衍生而來。DNV[11]的基本公式為

(5)

式中：參數(shù)C和Cf的表達式為

C=min[0.18(Cw-0.5h0),1]

(6)

(7)

BV[12]的基本公式為

pFI=CSCZ(0.22+0.15tanα)·

(8)

Cs在外板和次要加強筋校核時取1.8，Cz的表達式為

(9)

式(6)～(9)中，β為水線切向角，對應(yīng)圖1中的γp角，α為計算點外飄角，對應(yīng)圖1中的90°-βp角；γ與船的橫搖、縱搖有關(guān)。BV采用了與UR S11A[13]一致的波浪系數(shù)H，與DNV公式中的Cw有小幅差別。對本文分析用的例船，H=10.745，Cw=10.670。如果不考慮這一差異，BV公式中的系數(shù)Cz等于DNV公式中的系數(shù)C值除以0.18，故BV公式相當(dāng)于DNV公式在γ角取0時的情況。

CCS的基本公式[14]不再列出，它相當(dāng)于式(8)乘以0.8，但CCS要求計算用船長不必超過250 m。由于超大型集裝箱船船長一般都大于250 m，因此后面算例中CCS的砰擊規(guī)范計算使用250 m作為計算船長。

1.1.4 NK

NK的基本公式[15]為

(15)

NK的方法以S.L.Chuang完成的楔形體入水沖擊試驗研究為基礎(chǔ)[16]。式中vn和β0為計算點處船-波面的法向相對速度和相對沖擊角，沖擊系數(shù)Kp完全取決于相對沖擊角β0。NK使用了K.Hagiwara等[17]提出的等效均布靜壓力概念，該量在相對沖擊角較小時比較穩(wěn)定，不隨試驗?zāi)Ｐ偷某叨缺劝l(fā)生變化。Ce為等效均布靜壓力與砰擊壓力峰值的比值，它的引入與NK砰擊板厚加強要求的公式是相對應(yīng)的。

除了計算公式層面上的不同，各船級社規(guī)范要求的砰擊壓力計算范圍也存在小幅的差異，具體見表1。表1中ABS的計算范圍是針對規(guī)范船長在130～450 m范圍內(nèi)的集裝箱船。

表1 各船級社規(guī)范的外飄砰擊壓力計算范圍

1.2 最小板厚要求公式

各船級社關(guān)于外飄砰擊的最小板厚要求公式也是不同的，但輸入?yún)?shù)一般僅包括板格長邊和短邊的長度、材料和名義砰擊壓力。從本文例船的艏舷側(cè)外板上取6組典型板格的輸入?yún)?shù)，根據(jù)最小板厚要求公式，逆向推算出在原始板厚下，各船級社許可的最大設(shè)計砰擊承載力，可視為板格在原始板厚下的名義承載力，列于表2中。顯然，對于同一板格，由不同船級社推算得到的名義承載力是不同的。DNV和NK的結(jié)果較高，ABS的最低。BV的名義承載力大體相當(dāng)DNV的2/3，而CCS的結(jié)果相當(dāng)于DNV的55%。這種差異反映出各船級社砰擊校核公式所選取的極限承載狀態(tài)是不同的。

2 例船外飄砰擊校核結(jié)果對比

2.1 例船概要和布點說明

以某典型的超大型集裝箱船為例進行計算，其基本信息：船長Loa=400 m，型寬B=59 m，結(jié)構(gòu)吃水Tsc=16 m，服務(wù)航速Vs=23 kN。對比分析選取各船級社艏外飄砰擊校核范圍的公共部分，即結(jié)構(gòu)吃水Tsc以上、距艏垂線0.012 5L～0.1L之間的舷側(cè)外板區(qū)域。從圖2所示的對應(yīng)粗網(wǎng)格有限元模型圖中可以大體看出例船這片區(qū)域的外板外飄程度。

表2 各船級社砰擊的最小板厚要求公式逆推算比較

計算載況取結(jié)構(gòu)吃水載況，砰擊壓力計算點的縱向肋位選取鄰近的兩強肋骨的中間肋位，自艉向艏按字母順序依次標(biāo)記為肋位A～L，垂向坐標(biāo)取鄰近平臺(stringer)或甲板的中間高度處，計算點對應(yīng)的肋位標(biāo)記和垂向坐標(biāo)顯示于圖2b)中。

2.2 名義外飄砰擊壓力計算對比

基于計算點位置的外板形狀數(shù)據(jù)，按LR、ABS、DNV、NK、BV和CCS 6種船級社規(guī)范的要求計算名義砰擊壓力，結(jié)果見表3～8。

圖2 砰擊對比計算區(qū)域的外板形狀、計算點的肋位與高度

表3 LR規(guī)范公式的名義砰擊壓力結(jié)果 kPa

表4 ABS規(guī)范公式的名義砰擊壓力結(jié)果 kPa

表5 DNV規(guī)范公式的名義砰擊壓力結(jié)果 kPa

表6 BV規(guī)范公式的名義砰擊壓力結(jié)果 kPa

對比分析表3～8，可見：

1)ABS和LR的結(jié)果在各方法中處于較低的水平，而DNV和NK的較高。

2)DNV、BV、CCS 3種方法的結(jié)果高低次序與公式分析相符，計算結(jié)果顯示CCS對于計算船長不超過250 m的設(shè)定和0.8倍的整體折減系數(shù)，顯著拉開了與BV結(jié)果的差距。

3)DNV、BV、CCS的壓力結(jié)果沿高度和船長方向變化趨勢一致，LR結(jié)果的變化趨勢也與之近似，砰擊壓力的最大均在z=19.5 m，肋位C位置附近。

4)ABS的壓力結(jié)果在緊靠艏垂線且距結(jié)構(gòu)吃水較近的區(qū)域快速升高，這與其他方法結(jié)果的趨勢完全相反。

5)NK的壓力結(jié)果在緊靠艏垂線處的二甲板(約距基線22 m的高度)以上區(qū)域相當(dāng)高，最大值出現(xiàn)在z=24.6 m，肋位L位置。

2.3 砰擊最小板厚要求的計算對比

計算區(qū)域的舷側(cè)外板，沿高度方向的分縫大體與平臺/甲板位置一致，沿船長方向的分段縫大致位于肋位A、F、L附近，因此計算區(qū)域大致包含12塊列板，列板從艉到艏、自上而下依次標(biāo)記為PA1～PA6，PB1～PB6。從被列板覆蓋的計算點中提取最大的名義外飄砰擊壓力值，用來計算規(guī)范要求的砰擊最小列板板厚。按照6種規(guī)范分別進行上述計算，結(jié)果顯示見圖3，可以看出：

1)BV要求的最小板厚是7種方法中最大的，CCS、DNV、NK的板厚要求比較接近，LR的板厚要求最低。對比來看，雖然BV的設(shè)計砰擊壓力超過DNV的設(shè)計壓力的80%，但對同一板格，BV采用的設(shè)計砰擊承載力僅有DNV結(jié)果的2/3，故BV的砰擊板厚要求最高。

2)ABS的情況略復(fù)雜，對于緊靠艏垂線且距結(jié)構(gòu)吃水較近的3塊列板要求的最小板厚已接近甚至超過DNV的要求，但在其他列板上要求的砰擊最小板厚要求總體偏小。這顯然與ABS設(shè)計砰擊壓力的特殊分布趨勢有關(guān)。

圖3 舷側(cè)外板的砰擊最小板厚要求對比

3)LR的結(jié)果是各船級社中外飄砰擊公式計算中最小板厚要求最低的，例船的原始板厚即能夠滿足砰擊的局部強度要求。

4)雖然DNV和NK規(guī)范的最小板厚要求互有差異，但相差不大。這是因為2種方法的名義砰擊壓力的總體差距相對較小，而且同一板厚下板格的名義承載力差距也相對較小。CCS的最小板厚要求大體上略低于DNV的結(jié)果。

研究僅針對船級社的外飄砰擊經(jīng)驗校核公式，這里的板厚要求為各規(guī)范的外飄砰擊校核公式所要求的，并不代表例船最終的板厚要求，總縱強度、橫向強度及部分船級社要求的砰擊直接分析評價都可能提高板厚要求。

3 規(guī)范要求結(jié)果的敏感性分析

考慮到規(guī)范船長L、服務(wù)航速Vs、計算點位置及外板切向角等輸入?yún)?shù)對砰擊最小板厚的敏感性均來自于名義砰擊壓力的傳導(dǎo)，故名義砰擊壓力和砰擊最小板厚的敏感性是一致的。分別從船舶主參數(shù)和艏部外形變化2個角度觀察名義砰擊壓力的單變量敏感性。計算點位置為z=19.5 m，肋位C處，這是DNV、BV、CCS 3種規(guī)范結(jié)果最大名義砰擊壓力計算點，結(jié)果見圖10～11。

3.1 船舶主參數(shù)

3.2 艏部外形

圖5a)，b)，c)分別反映了壓力計算點位置處的橫剖線切向角βp、水線切向角γp(角度見圖1)和計算點距夏季水線的距離3個變量的小幅變化引起的名義砰擊壓力的變化。各船級社的名義砰擊壓力都隨βp的增加呈逐漸減小的趨勢，其中DNV、CCS、BV的降幅較明顯，而NK和ABS的降幅比較小。DNV、BV、CCS的結(jié)果隨γp的增加都會出現(xiàn)明顯的增加，而NK、LR結(jié)果對隨γp的增加也有小幅增加，而ABS結(jié)果則出現(xiàn)小幅的減弱。ABS結(jié)果在相對高度為4.45 m時的顯著上升，是由于距離裝載水線越近，式(4)的計算結(jié)果增幅越快，而對式(4)結(jié)果的修正發(fā)生在相對高度不超過4 m的范圍內(nèi)。除ABS外，設(shè)計砰擊壓力對計算點的相對高度影響幾乎可以忽略。這一趨勢的出現(xiàn)與計算點位置的選取有關(guān)，作為敏感性算例的計算點與夏季水線的距離為3.45 m，變化影響也僅在上下1 m內(nèi)探討，因此它只反映了鄰近裝載水線高度附近位置的敏感性特征。

圖4 船舶主參數(shù)對名義砰擊壓力的敏感性影響

圖5 艏部外形變化對名義砰擊壓力的敏感性影響

5 結(jié)論

不同于較小尺度的集裝箱船，當(dāng)前各船級社規(guī)范要求運用在超大型集裝箱船上時，名義砰擊壓力和最小板厚要求都體現(xiàn)出較大的結(jié)果離散性，BV的砰擊最小板厚要求較高，DNV、NK和CCS的要求比較接近，LR和ABS的砰擊最小板厚要求較低。

各船級社外飄砰擊的名義壓力值對船長L的敏感性是個十分重要的因素，與砰擊強度要求的差異密切相關(guān)。表征艏部外形的切向角βp和γp的變化也會對名義砰擊壓力結(jié)果構(gòu)成比較顯著的影響，而合理范圍內(nèi)的設(shè)計航速的變化對砰擊校核結(jié)果也有一定影響。

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Comparison on Rule Requirements of the ULCS Bowflare Slamming

YANG Yuan1,2, TANG Wen-yong1, LU Ming-feng2, SHEN Ya-ming2

(1.State Key Laboratory of Ocean Engineering, Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200240, China;2.Nantong COSCO KHI Ship Engineering Co. Ltd., Nantong Jiangsu 226005, China)

Focused on ultra large containership (ULCS) bowflare slamming while traveling in rough sea, the characteristics of slamming strength requirement in several classification societies rules was summarized. Taking a certain ULCS as example, the nominal bowflare slamming pressure and relevant minimum shell plate thickness requirements based on six classifications’ rules were calculated for comparison, and significant difference and parameter sensitivity were analyzed. This research can provide reference in ULCS structure design.

bowflare slamming； ultra large containership (ULCS)； rule check

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.04.008

2017-01-11

工信部高技術(shù)船舶專項([2016]25號)

楊源(1987—)，男，工學(xué)博士，工程師

研究方向：船舶工程結(jié)構(gòu)力學(xué)

U661.4

A

1671-7953(2017)04-0034-07

修回日期：2017-02-15