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(zhuān)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(lèi)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(lèi)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?lài)?guó)際航行的非專(zhuān)用船舶加入從事散裝谷物運(yùn)輸?shù)男辛小Ｔ擃?lèi)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(mǎn)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(zhuān)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(xiàn)(GZ曲線(xiàn))及谷物移動(dòng)傾側(cè)力臂曲線(xiàn)，再確定右邊界線(xiàn)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(xiàn)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：

(1)

式中：L為所有滿(mǎn)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

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(mǎn)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(mǎn)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(mǎn)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(mǎn)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(mǎn)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(mǎn)載艙按谷面與水平面成15º傾側(cè)；對(duì)未經(jīng)平艙的滿(mǎn)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：

(6)

空擋中心移動(dòng)的距離為：

(7)

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：

(8)

由上式可以看出，滿(mǎn)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(mǎn)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(xiàn)，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(xiàn)是一條垂直于橫坐標(biāo)軸的直線(xiàn)。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(shū)中根據(jù)排水量查進(jìn)水角曲線(xiàn)求得。

在橫坐標(biāo)θh～θm范圍內(nèi)將曲線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)橫向六等分的每一垂線(xiàn)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(xiàn)間長(zhǎng)149．80m 滿(mǎn)載排水量29 849．10t

設(shè)計(jì)水線(xiàn)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(lèi)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(xiàn)和初穩(wěn)性高度曲線(xiàn)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(mǎn)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(mǎn)載不平艙出港

此外，軟件還提供了船舶靜水力曲線(xiàn)、邦金曲線(xiàn)、艙容曲線(xiàn)、穩(wěn)性橫交曲線(xiàn)、甲板進(jìn)水角曲線(xiàn)、極限重心高曲線(xiàn)的顯示和查詢(xún)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)