內(nèi)容提要：結合散裝谷物船舶運輸中的實際裝載情況，具體分析了谷物的相關特性和我國現(xiàn)行的《國際航行海船法定檢驗技術規(guī)則》對于散裝谷物船舶穩(wěn)性校核的要求，建立了穩(wěn)性計算的數(shù)學模型，運用VisualBasic6．0軟件完成了對非專用散裝谷物船舶裝載穩(wěn)性計算模擬系統(tǒng)的研究與開發(fā)。

關鍵詞：穩(wěn)性校核 散裝谷物 裝載軟件 穩(wěn)性衡準

0前言

在當今世界船舶貨物運輸中，谷物的運輸占了很大的比重，谷物的大量運輸廣泛采用散裝運輸形式。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、振動等的影響，使谷面下沉，谷物的表面也將隨之發(fā)生移動，從而產(chǎn)生與自由液面類似的影響，嚴重影響了船舶穩(wěn)性。在惡劣海況下，當船舶各艙內(nèi)谷物產(chǎn)生的傾側力矩超過一定限度時，甚至可能造成翻船事故。

近年來，由于我國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)進出口量及內(nèi)貿(mào)調(diào)撥量迅速增加，因此有不少國際航行的非專用船舶加入從事散裝谷物運輸?shù)男辛?。該類船舶由于尺度、貨艙結構、裝載限制等因素的影響，在裝運散裝谷物時船舶的穩(wěn)性條件更差。為有效地防止散裝谷物運輸船舶發(fā)生傾覆沉船事故，從1860年起就陸續(xù)有一些國家和地區(qū)制定了要求強制執(zhí)行的散裝谷物船舶運輸規(guī)則。

我國現(xiàn)行的《國際航行海船法定技術檢驗規(guī)則》，對國際海域航行的散裝谷物船舶的穩(wěn)性的具體要求如下：

任何散裝谷物運輸船舶在整個航程中應同時滿足經(jīng)自由液面修正后：

(1)由于谷物移動而產(chǎn)生的船舶橫傾角應不大于12º，但對于1994年1月1日以后建造的船舶還應考慮甲板邊緣浸沒角，取兩者之較小者；

(2)船舶剩余動穩(wěn)性S(圖1所示陰影部分面積)應不小于0．075m·rad；

(3)經(jīng)對各液體艙內(nèi)的自由液面影響修正后的初穩(wěn)性高度應不小于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)性計算的原理

依據(jù)文獻[1]的要求，作者在VisualBasic6．0軟件的基礎上。開發(fā)了非專用散裝谷物船舶裝載穩(wěn)性計算的模擬系統(tǒng)。其主要計算流程如圖2所示。

圖2完整穩(wěn)性計算流程

首先，根據(jù)裝載情況計算經(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)及谷物移動傾側力臂曲線，再確定右邊界線Θ=Θm；最后，判定由于谷物移動引起船舶的橫傾角是否不大于12º(對于1994年1月1日以后建造的船舶還應考慮甲板邊緣浸沒角，取兩者之較小者)，應用近似積分計算三條曲線所圍成的曲邊三角形面積，即剩余動穩(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的計算

根據(jù)文獻[1]，散裝谷物在裝載的過程中應進行合理的平艙處理．使谷物移動的影響減至最低。

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時的谷物的靜止角計算所得。而正常情況下大部分谷物靜止角小于30º，有些甚至只有23º。這樣將使實際使用艙容大于理論上的平艙艙容，往往會使穩(wěn)性趨于不利。所以，在計算船舶初穩(wěn)性高度時應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算結果。

在整個航程中，經(jīng)對各艙自由液面影響修正后的初穩(wěn)性高度應不小于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為所有滿載艙的合計總長，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在任何情況下不應假定小于100mm．其計算公式為：

Vd=Vdl+0．75×(d-600) (2)

式中：Vd1為標準空擋深度(mm)，見表1；d為實際桁材深度；其他同式(1)。

表1標準空擋深度表

注：l為從艙口端或艙口邊到貨艙邊界的距離(m)。

1．2谷物移動橫向傾側總力矩Mu’的計算

谷物橫向移動傾側總力矩Mu’是指由于谷物重心發(fā)生橫向移動，而使船舶產(chǎn)生一靜傾角的傾側力矩。可將各艙谷物橫向傾側力矩％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對于滿載艙，當谷物重心位于艙容中心時，f取1．00；

②對于滿載艙，當谷物重心位于谷物假定下沉后的體積中心時，f取1．06。

③對于部分裝載艙，應補償谷物表面垂向移動的不利影響，f取1．12。

1．2．1滿載艙％的計算

為了計算裝運散裝谷物的船舶由于貨物表面移動而產(chǎn)生的不利傾側力矩，應按照文獻[1]進行一般假定：

(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與邊界面平行的空擋Vd。

(2)假定谷物傾側：經(jīng)平艙的滿載艙按谷面與水平面成15º傾側；對未經(jīng)平艙的滿載艙，在艙口范圍內(nèi)、艙口兩側按谷面與水平面成15º傾側，在艙口兩端按谷面與水平面成25º傾側。

根據(jù)上面的假設，將一個貨艙分為三個部分，即艙口以前部分、艙口以后部分和艙口內(nèi)及兩側部分。如圖3所示。

圖3散裝谷物艙的剖面圖

設各個部分的傾側力矩分別為：Ma、Mb和Mc，則谷物橫向傾側力矩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距離之乘積可求得各部分的面積矩，再乘以計算長度，就得出各部分的體積傾側力矩。以圖3中艙口后部為例具體分析Mc的計算方法：

谷物移動前的空擋面積=谷物移動后的空擋面積，即：

Vd×AC=1/2BC×CD (4)

CD=BC×tanθ (5)

將以上兩式進行聯(lián)立求得：

(6)

空擋中心移動的距離為：

(7)

假設艙口后部的長為l，按規(guī)定取口=15º，則艙口后部的橫向傾側力矩為：

(8)

由上式可以看出，滿載艙的橫向傾側力矩主要和艙室的大小、形狀，以及艙口所處的位置有關。如采取了縱向隔壁等止移措施，應在計算中充分考慮其影響。

同理可得出Ma和Mb，即可計算出谷物總的橫向傾側力矩。

1．2．2部分裝載艙％的計算

根據(jù)文獻[1]規(guī)定，部分裝載艙的谷物移動后，假定谷物表面與水平面成25º角，其計算方法和過程與滿彰艙相似。然而，在實際的裝載過程中．對部分裝載艙通常采取了相應的止移措施(如加縱隔壁或谷物表面壓包等)，這就對計算結果產(chǎn)生了影響。為了方便計算，可以采用文獻[1]提供的近似計算公式：

MH=∑0．0177libi3 (9)

式中：li為各部分裝載艙的長度(m)；bi為各部分裝載艙谷物表面的最大寬度(m)。

1．3橫傾角以和剩余動穩(wěn)性值S的計算

橫傾角θh的計算一般采用兩種方法，即作圖法和公式法。由于作圖法求取過程較繁瑣，在軟件開發(fā)中采用了公式法，并加以修正，可以獲得較精確的計算結果。

橫傾角θh的計算公式為：

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：△為船舶實際排水量。

由式(3)得出谷物橫向傾側力矩值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[1]規(guī)定：右邊邊界線是一條垂直于橫坐標軸的直線。其橫坐標值以按下列公式(11)確定：

θm=min{θGZ'max，θf，40º} (11)

式中：θGZ'max為船舶復原力臂和谷物移動傾側力臂之間縱坐標差值(即船舶剩余復原力臂GZ')最大處所對應的橫傾角；θf為規(guī)則定義的船舶進水角，指在船體、上層建筑或甲板上不能關閉成風雨密的開口(不能發(fā)生連續(xù)進水的小型開口除外)浸沒時的橫傾角，可以在船舶穩(wěn)性報告書中根據(jù)排水量查進水角曲線求得。

在橫坐標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原力臂值(即GZθ-λθ)，隨后，按辛浦生第一法則計算，即：

S=x/3(y0+4y1+2y2+4y3+2y4+4y5+y6)*Π/180 (12)

式中：x為在橫坐標θh～θm范圍內(nèi)將曲線六等分的等分間距；y0,yl…y6為橫坐標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原力臂值(m)。

2裝載軟件計算實例

在上述理論的基礎上，該軟件通過運用大量的插值算法，依托于軟件的互動式操作界面，更加方便快捷地得出精確計算結果。本文I)A 23 000DWT散貨船的相關參數(shù)為例，介紹散裝谷物船穩(wěn)性計算軟件的應用。

2．1船體主要量度

總長159．90m 設計吃水9．80m

垂線間長149．80m 滿載排水量29 849．10t

設計水線長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)性計算

首先，打開軟件配載界面(如圖4)，輸入各個艙室相對應的液面高度、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，并點擊選擇相應的貨艙中谷物重心位置和液艙液面慣性矩設定。計算時，軟件能自動從船舶數(shù)據(jù)庫中讀人相關配載數(shù)據(jù)，并據(jù)此進行三次樣條插值計算，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點擊啼(下一步)按鈕，則開始按照上述的計算原理進行相應的谷物穩(wěn)性計算，在界面(如圖5)上顯示出穩(wěn)性校核的結果、GZ曲線和初穩(wěn)性高度曲線等。

圖5谷物穩(wěn)性計算結果

最后，軟件將計算出的初穩(wěn)性高度、橫傾角和假定傾側力矩等參數(shù)與國內(nèi)法規(guī)規(guī)定值進行比較，如果參數(shù)數(shù)值超過了法規(guī)規(guī)定值。軟件能自動發(fā)出報警。

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)性計算結果，以及和裝載手冊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

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、甲板進水角曲線、極限重心高曲線的顯示和查詢功能，并能進行裝載時的強度(剪力和彎矩)校核。

3結束語

綜上所述，該軟件的應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輸安全，減輕了配載人員在船舶裝載時的勞動強度，提高了配載質(zhì)量。

本文對于散裝谷物船的穩(wěn)性計算主要依據(jù)我國現(xiàn)行的國際航行海船法定檢驗技術規(guī)則所提供的標準進行，在一些參數(shù)的計算方法上還有待進一步改進。相信隨著計算機智能化的發(fā)展，散裝谷物船的穩(wěn)性計算一定會更加準確，裝載軟件的自動化模擬功能也將更加完善。

作者：武漢理工大學 謝俊超 周瑞平 葉孟陽  來源：航海技術