船舶规范中计算载荷的研究

船舶规范中计算载荷的研究

韩奇

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摘要：在新时期背景下，船舶规范不断更新，故本文以非线性切片理论为基础，介绍船舶规范中计算荷载方法，以期为后续船舶设计、运行提供参照，希望为读者带来启发。

关键词：船舶规范；计算荷载；波浪失速

1 引言

在交通运输行业越发发达的背景下，船舶运输因具备运载量较大，运输成本偏低等优点，受到人们的广泛欢迎，为保证船舶运输活动顺利开展，对船舶运转过程中荷载情况进行计算分析，找出可能影响船舶运输状态的因素，并制定问题解决方案，成为提高运输行业发展质量的重要举措。因此，研究此项课题，具有十分重要的意义。

2 极限弯矩条件

在当前船舶运输活动中，为保证船体的总纵强度，能够满足相应安全管理规范的要求，在开展船舶校验工作时不仅需要以总弯曲正应力与总弯曲剪应力较和要求开展分析工作还需要参照极限弯矩条件对船体的总纵强度进行分析。具体分析公式为：

其中，Mu指的是极限弯矩；Ms指的是静水弯矩；Mw指的是波浪弯矩；Md指的是砰击振动弯矩；、指的是大于1的系数。参照船舶规范可以了解到在计算过程中，波浪弯矩可以约等于静置于波浪上产生的弯矩；砰击振动弯矩则可以在参照谐波振动规则波条件对动量砰击理论进行简化求导处理后求得。对当前船舶设计实践进行分析，可以了解到在船舶规范中总纵强度的约束条件中极限强度要求极为苛刻，为保证船舶能够满足这一条件要求，设计人员在开展船舶设计时往往需要通过加大纵向构建尺寸或采用屈服极限相对较高的钢材作为船舶生产加工材料的方式，保证船舶能够安全运行。然而对当前国内外运行的船舶进行调查分析后可以了解到，尽管一些船舶的极限弯矩条件并未满足上述要求，但船舶仍能正常通行，这一情况的出现，使得人们对规范中关于波浪弯矩计算方法的准确性产生了一定的怀疑。考虑到当前船体结构安全性评定是一个相对复杂的问题，会对船舶使用安全产生影响的因素不仅仅包括极限弯矩条件。因此在当前的船舶荷载计算分析过程中，采用概率统计理论船舶的整体强度进行可靠性分析，并以此为基础编制船舶结构设计规范，成为一种相对简便且可靠的船舶运转状态分析方法[1]。

3 砰击振动弯矩

砰击振动指的是船体与波浪产生撞击，导致船体出现剧烈摇摆状况，在船舶实际运转过程中，受被撞击区域的不同，可以将其分为底部与船首外张两种。对于直舷或接近直舷的船只底部砰击较为常见，而对于内河船只来说，上述两种都有可能出现。在开展船只振动弯矩分析时，考虑到外张攻击持续时间相对较长，因此按照动量冲击理论确定船只砰击荷载相对简单。但需要注意的是，由于底部砰击持续时间较短，若将这一理论应用于底部分析，那么分析结果必然会与实际情况之间出现较大的偏差。为了实现砰击振动荷载的有效分析，可以从安全的角度对某给定行数的船舶荷载进行分析，在分析过程中可以将不规则波中砰击计算简化为一个最危险的规则子波，设其波长为，波高为，并且在波长大于120m的情况下，在波长处于60m—120m之间时，。同时最危险的规则子波指的在船只迎浪航行的条件下，作用于船首的砰击水动力处于谐振波条件下的最大值，这里的谐振波是指调谐因子为1时对应的规则子波。参照纵摇与生成固有周期近似表达，可以确定谐振波长（）的公式为：

其中，L指的是船只的长度；T指的是船只静吃水；Fr指的是Froude的数。此时，以某具有较大首外张的快速船舶为例，船舶最大中垂砰击振动弯矩系数如表2.1—1所示。对表中内容进行分析，可以了解到在其他条件不变情况时，迎浪砰击必然会导致船舶的荷载增加。

表 2.1—1 船舶最大中垂砰击振动弯矩系数

为了保证相应数据能够得到合理的应用，可以在明确船舶具体条件的基础上，假设波高为h1/3，则可以求出失速V，并以此为基础求出船舶的实际航速，以及实际的Froude数。利用上述公式，可以得到如图2.1—1所示的波浪高与船舶航速之间的关系图。

图 2.1—1 波浪高与船舶航速之间的关系图

对上述图表进行分析，可以了解到当Fr=0.410时，以切片理论为基础，可以求得在的情况下，船舶的弯矩最大，此时波高已经超过了hmax，因此在船舶失速后，其最大弯矩规则波应不大于hmax。同时在计算船舶砰击震动弯矩时，失速会对最终计算结果产生明显的影响。

4 波浪弯矩分析

在确定波浪弯矩的过程中，需要合理描述船舶在波浪中的流体动力以及船舶的运动状态。考虑到这一描述具有较高的复杂性，因此在过去的船舶设计、船舶运行状态分析时，往往以静置于标准波浪上的船舶作为参考对象，实现波浪弯矩的有效模拟，但这种分析方式的准确性相对偏低，对此将切片方法引入到波浪弯曲分析中，成为一项极为必要的工作。具体来说，在将切片方法引入到波浪弯矩分析时，可以采用线性理论方式进行分析，若波浪的入射波与运动幅值可以准确地实现船舶运动荷载的有效分析，因此在当前的湖泊船舶运动荷载分析时，这一方法得到了人们的广泛欢迎。需要注意的是，为了得到船舶在服役期间波浪荷载的极限值，工作人员需要在明确甲板稳定性的基础上确定，船舶装载状态，航速，航向等内行条件变化情况，以及船舶在工作过程中可能遭遇的各种情况。并且在计算过程中，尽管当前部分船舶规范在开展波浪弯矩计算时仍采用波长等于船长波形为弹鼓波，按照尽力开展计算活动的模式，但由于计算活动中引入了设计波高的概念，因此在实际计算时需要参照切片理论开展规则波计算工作，然后应用叠加原理以及船舶航行区域的波浪统计资料开展数据分析工作。在分析过程中，在得出最大波浪弯矩后需要将其转化为进制模式下的设计波高，然后对船舶计算结果进行回归分析，从而得到相对可靠的波高与波长的函数关系

[2]。

4 波浪失速分析

船舶在航行过程中会受到风力所产生附加阻力的影响，同时纵摇与生存运动同样会导致船舶运行的阻力有所增加。降低船舶的推进效率，使得船舶在功率不变的情况下，仍出现航行速度下降的情况。同时在实际船舶运行过程中，为降低船甲板淹湿以及波浪砰击对船舶运行安全的影响，需要人为降低船舶航行速度。上述情况中，受自然条件影响而出现的船舶运行速度下降，被称为自然减速；受到人为因素的影响，降低船舶的航行速度，被称为主动减速。现阶段，船舶在运行过程中的实际航速主要受主动减速的影响。在分析船舶波浪失速情况时，可以采用理论方法或自行试验估算自然减速情况，而主动减速估算难度相对较高，为确定主动减速的允许极限，需要对船舶类型、航行目的等因素进行详细分析。

5 结论

总而言之，为保证船舶能够正常运行，在对船舶荷载状况进行分析时，提高对极限弯矩条件、波浪失速情况、波浪弯矩条件、砰击振动弯矩等因素的分析，采用合适的方法，尽可能降低上述因素对船舶运行状态所产生的不利影响。成了提升船舶运转安全性、可靠性的重要举措。

参考文献

[1]胡文.基于ANSYS的船体局部结构强度直接计算方法研究[J].中国水运,2023(04):80-81.

[2]张金燕,王小玉.应用精细积分的船舶碰撞载荷数值计算方法[J].舰船科学技术,2023,45(04):49-52.