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船舶装载及稳性计算

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7 / 第1 2辊 总第101期) 维普资讯 http://www.cqvip.com

船舶设计通讯 NO.1 2(Serial NO i01) Ju 2000 JOURNAL OF SH1P DESIGN 船舶装载及稳性计算’ tl } 摘 要 本文介绍了当前船舶装载及稳性计算中遇到的情况,并结台规范t与船级社、船东、船厂共同探讨 关键词茎垦、型竺 、 蓠 、嘲啕、 :三啼 、’叶 、 卜甬 ?三f 式气 主江 f I 船舶装载及稳性计算是船舶设计和性能计算的 重大内容,既要严格按照规范或公约要求进行计算 又要结合船的实际情况和船东的合理要求进行恰当 调整,也就是说在满足规范的前提下,最大限度地挖 掘潜力,提高装载率,充分发挥船舶经济效益。 叉如345 TEU多用途集装箱船,主要用途是装 载集装箱,总体设计也是环绕这个问题展开的,而对 均质货来说,重心和浮心纵向位置是浮态的关键因 数。全船只有两个货舱,必须仔细调整好,达到船舶 处于略有尾倾的设计吃水状态。 1 均质货装载和稳性 均质货装载是船舶稳性计算中最常见的装载状 态,其装载量为船舶排水量减去空船重量、油水及常 2 集装箱装载和稳性 对于多用途船来说,设计衡量指标既有载重量 DwT,又有载箱量TEu(装载2O英尺标准箱)的要 求,而船东对后者期望值甚大。 集装箱船的重要技术指标之一是在满足稳性要 求的前提下,其平均箱重为14t/ TEU的载箱率(即 装1 4t的实箱数与总箱位数之比);另~个重要技术 数等。因此其积载因数视船的具体情况而定 船东规 定满载状态下装均质货时不允许加压载水,这就要 求设计者在考虑总布置和线型时充分注意重心纵向 位置和浮心纵向位置的协调一致,而浮心纵向位置 更与船舶快速性密切相关,因此需仔细考虑,必须使 船舶性能良好且在满载航行时不出现埋首现象[1]。  ̄28000 t多用途货船,其线型设计既要考虑集 指标是规范明确规定的集装箱鼓为设计的最大货箱 数与空箱数之和,同一型号的货箱重量取满载出港 时可能达到的同一箱重Ez]。一般也以装载2O英尺标 准箱为主。此两项要求是最基本的要求,在设计计算 中应尽可能挖掘潜力来提高指标。 如28000 t多用途船,几个技术指标如下表所 列: 装箱的合理布置叉要考虑船的快速性要求,在线型 已基本确定后,经反复研究,在满足船东要求下调整 双底燃油舱、备用淡水舱等位置.解决均质货装载的 浮态问题。 载箱量 平均箱重 fI) 14.0 载箱率 载重(t) 量 GMo计算值 完整稳性要求的 破舱稳性要求的 (m) 0.689 (TEU) 1063 ( ) 97.6 GM值(m) 0.3 GM值(m) 26833 0.689 1089 12.5 1 O0 25'163 0.803 0 3 0.795 收穑日期:1999年9月 维普资讯 http://www.cqvip.com

·42· 船舶设计通讯JOURNAL OF SHIP DESIGN 2000g ̄l一2期C.g ̄10i.¥1) 该船这两项主要指标满足了规范要求也超额完 成了船东的指标。需要指出的是这些计算都经过了 IMO规则规定,对一般散货船来说,在平整过 的满载舱内,在与水平面小于3O。倾角的所有边界面 下有一个与边界面平行的空档(即舱口前后端存在 反复考虑,尤其是14 t/TEU的情况,尽管完整稳性 要求比较容易满足,但破舱稳性要求严格,必须在此 由于谷物自然下沉而产生的空档),所谓边界面也就 是甲板下平面,空档平均深度按舱口所设桁材的公 式计算。IMO同时也规定,在装满的舱口内,有一个 基础上合理调整,并努力提高载箱率。 又如345 TEU多用途集装箱船,几个技术指标 如下表所列 载箱量 FF均箱 载箱率 重 完整穗性 自舱口盖最低部分(如封闭箱型舱盖的下缘)向下量 l(TEU) (t) ( ) (t) 24l l4 。 I孳性衡准数 至谷物表面的平均深度为150 111_r1).的空档。 70800 t自卸散货船是一种特殊船舶,在每个舱 口下的前后端设有结构加强的顶墩,但不设纵桁,见 图1。这些顶墩下的谷物空档应该如何考虑?经过认 真分析,并与IJ1 和IBNV船级社讨论认为,如果假 设谷物表面是与水平面成3O。倾角从舱口边缘向四 周倾泻到顶墩以下,所形成的空档面积将很大,不符 合平整后的实际情况;相反,这种考虑已属于舱口端 谷物免除平整的范围了。 l 。。。 1 136 j.0f z 28O l0 81.2l 4965 (12空箱) (23) 333 5.7 。。 I s船 1020 该船属于小型集装箱船,从以上指标可 看出, 为满足船东要求,在优化线型的前提下,已充分挖掘 了稳性的潜力,全箱位装载时K一1.020。 集装箱船还应考虑到在舱盖上装箱时既要满足 舱盖板单位负荷,也要满足箱脚扭锁或绑扎件在船 舶摇摆时的受力,还要考虑配载时初稳性高度 不宜太大,以避免横摇周期过小。总之,舱盖上平均 箱重量全面均衡。 集装箱船装载后加满双层底压载水是降低全船 因此一致认为该顶墩下缘边界面完全可以理解 为上述规则规定的谷物平整情况: 如图1所示,NO 2货舱口的前端顶墩下缘边界 面与水平面夹角为30。,可以不考虑该边界下存在空 档;舱口的后端顶墩下缘边界面与水平面夹角小于 30 ,则存在与边界面平行的空档,由于舱口无纵桁, 该空档可假定类似舱口盖下情况。据此,来计算空档 面积和体积倾侧力矩。 b.谷物免除平整 重心高度的有力措施,虽然增加了载重量.但它保证 了稳性,反而有利于提高装箱率 由于集装箱装载变 化对重心和风压力臂影响大,所以应设装载仪合理 配载。应提醒船东对稳性不富裕的工况,遇到恶劣的 海况,如无装载仪时,不能只考虑满足初稳性,要分 析大倾角稳性和动稳性,及时核查极限重心高度曲 由于该船设有甲板下顶墩的特殊性,免除平整 计算中的舱口端深度有两种思路,一种是考虑从顶 墩下缘向四周倾泻,然后按IMO规定计算所形成的 空档面积和体积倾侧力矩。 以图2NO.3货舱为例,其甲板下顶墩下缘在舱 口端深度为2 m,若以此考虑谷物向四周倾泻,则空 档深度相当大,最后形成的总体积倾侧力矩V = 4537 m 。再分析该舱横剖面,如图3所示,其顶墩和 边水舱交界面深度为0.7'55 n】,根据IMO规则,在 未经平整的满载舱内,应假定装载后的谷物表面将 从装满区域从舱口端粱下缘以30。角度向四周倾泻。 此处的舱口端梁深度,应该理解为就是顶墩和边水 舱交界面深度,即图3中C3点舱口角隅处,空档深度 按舱口角隅处实际深度0.755 m加上按IMO规则 线,必要时舱盖上一定要减箱[3]。 3谷物装载和稳性 笔者曾在“船舶设计通讯”(1994年第3期)上,撰 文专门阐述关于谷物装载问题,题名是<关于散装谷 物稳性最新计算)。文中结合谷物稳性规范的发展变 化以及本人多年来的工作实践,夼绍了有关规范背 景、计算方法及体会。本文不再赘述。下面就这几年 遇到的新情况,再谈几点认识。 3.1 70800t自卸敏货船 的计算方法求得,见图3示倒,最后形成的总体积倾 侧力矩VH一3298 m a.谷物平整 维普资讯 http://www.cqvip.com

关蹇:船舶装载盈稳性计算 三 三: 曼兰 。三 : 量 三_呈 至 暑三 主互 、三毛 毒曼 三兰 苎 暑雪 一一一 日} 口芸蜒蜜唇正I 每^』(]量三i墨 喜 主 ·43· 一匝 维普资讯 http://www.cqvip.com

·44· 船舶设计通讯JOURNAL OF SHIP DESIGN Z000q:第卜2期‘总第1OI期 喜 一一 言一 一 lI一 一兽一 寸!一 =三≤ ; 7 m0 0 Z ==n=皇一 ¨H¨_ 川=_川 圈蚓  :-!¨¨ ●昌一  __ 一 一Ⅱ] 霸f替 口 端肇后血卜≥(】。蟊乏 豇 _=善 l/一 、 1, H 维普资讯 http://www.cqvip.com

芰囊:船舶裴载厦稳性计算 ·45· \0。{ I ra1 chwaV1 r Jq1£1 72  CROSS SECT】0、 【 P R STOOl M 1 6g 0 B1 口2 C : 31 +4 5F=5 5 m =O 755+5 5tg30 =1. 0… I{2Bz:0 755+C 3H2tff30 图3 70800DWT自卸船货船口端谷物不平整计算典型图 显然,第二种计算结果符合IMO规定的精神, — DNV船级社表示同意。所以,一定要仔细分析船舶 时货舱分上下舱,二甲板舱盖关闭。按IMO规则,这 类船应采用上下舱共同装载的方法,即二甲板舱盖 打开,二甲板下谷物空档有一部分要转移到上甲板 下及舱口内。由于舱口部分开口不大,谷物既散落在 双层底内底板上,也散落在二甲板上 的具体情况,作出合理的计算假定。如果按第一 J 种结 果,不但不合理,而且由于空档太大造成稳性损失和 装载量的减少 本船的顶墩设置正好可以减小在舱口前后端处 本船内底板的单位负荷为1 4 t/m!,以偏重的谷 物积载因数S。F.一1.17 m。/t考虑,其最大装载高 度可达1 4×1_17—1 6.38 m,本船实际装载高度为 的免除平整空档面积,有利于稳性。另外IMO规定. 如果在舱口端梁上开有添注孔,可以碱小谷物的空 档深度,这对稳性不富裕的船非常有利,但对本船不 适用,对谷物平整的舱也不适用。 11.22 m,强度当无问题。但二甲板上单位负荷为 3.¨t/m!,其最大装载高度以偏轻的谷物积载因数 S.F.一1.533 m /t考虑仅为3.11×1.533--4.768 c.双排舱口谷物体积倾侧力矩计算 本船在第三货舱设有双排舱口,是一种特殊形 式,其谷物平整的方法见图4。即运用谷物由低边到 高边倾侧力矩转移分配的方法。双排舱口之间甲板 下的倾侧力矩仍按IMO规则计算。对谷物免除平整 计算,由于形式较复杂,如完全从双排舱口来考虑计 算也较繁复,故假定是一个大舱口形式,计算舱内空 档面积。这样结果偏保守。 3.2 12000 t多用途货船 m,二甲板上实际装载高度为6 m,显然从强度要求, 二甲板上谷物是不能装满的。因此,形成每个上舱都 是谷物部分装载舱,全船将产生极大的谷物倾侧力 矩,无法满足稳性。若从满足稳性出发,每个上舱或 压包或只装极少部分谷物.在装载上很不合理。如果 二甲板舱盖关闭,情况也一样。因此,经和船东及船 级社商讨认为,这类船受谷物稳性和结构强度, 只能在上舱装一个谷物部分装载舱,其余均为空舱; 下舱均为满载舱 这种装法不太经济,为此我们建议 本船是普通二甲板形式,见图5。船东要求装谷 维普资讯 http://www.cqvip.com

46· 船舶设计通讯JOURNAL OF SHIP DESIGN ?000年第l ?期( 第l0l期 船东可在下舱装满谷物,而在上舱装其他轻货。(至 于打开二甲板舱盖,让上下舱共同装载,也由于二甲 板强度对该船不可行。) I B0 —~ o 警毒 , 广~…,-2---一Z , ~一一…  毒一 一~兰『_l_… 一 一一, ; i= I.88、 d=0 9 m( .Hd r 1l- (】 H g celing Ml= l+ c。=2XOII?X ̄05=:1j7 J1l v d a sl:0 L ×5 :0Ij7 l1I 《Between Drde rs!HcNmg M}=s3G12I 5I×I B8=2 84】 一m =0I 5×5 8=0117 l1 If ㈨I g 。Jd reaf【fcc“nE M 3= 【.^: 6× l{:: M ̄men[。 nca:。s m一 ll『 r11 l¨e L g rders。『llaLe  ̄ili ltn ) 1 51 J” f5 J'iflin ̄】 - ̄J = 4 rPil 图4 708OODWT自卸船双排货舱口端各物平整计算图 维普资讯 http://www.cqvip.com

戋囊:船舶装载及格性计算 _·47· 3.3 28000t多用途货船 根据船东要求,计算二甲板舱盖关闭后的上下 舱谷物体积倾侧力矩,作为实船配载依据。同时,应 主动提供船东有关装载高度数据如二甲板舱盖 单位负荷为4 t/m ,相对于不同的积载因数,谷物装 载高度限为4.68 Irt 5.80 m。本船货舱二甲板以上 实际高度为7.2 m。 还应提醒船东,尽管本船稳性较富裕,但谷物部 分装载舱体积倾侧力矩太大,下舱必须装满,上舱至 多装1 2个部分装载舱,否则如前所述,上舱应改装 其他货种,以满足稳性和提高运输效益 这里再强调一下, 上所分析的各种装载满足 本船为特殊型的二甲板船,其货舱为双壳阶梯 式,见图6。二甲板处舱口部分开口很大,除沿横舱壁 设有0.8 m宽的走道外+舱盖板就是二甲板。经和船 级社讨论,这种船上下舱共同装载时不存在二甲板 下谷物转移问题,可以作为特殊单甲板散货船处理。 本船内底板单位负荷为20 t/m ,实际装载高度为 1 6.2 111,故所允许的谷物积载因数最小为s.F.= 0、81 111。/t.对船东要求和规范建议的谷物积载因数 (1、17_1-44 9),不存在强度问题。(但在完整稳性计 算装载铁矿石时,因其积载因数s.F.一0.53 m /t, 货物很重,货舱富裕舱窖多,应在装载手册中提醒船 东最大装载高度不能大于1o.Gm)。 浮态稳性和单位负荷强度问题,首先也是在满足船 舶总纵强度的同时进行, 圈6 28000DWT多用选集装箱货船货舱形式 维普资讯 http://www.cqvip.com

48· /tl,! ̄n没计通讯J()URNAL OF SHIP DESK;N !。。0年第l 2期( 第:01婀 3.4谷物装载夏稳性计算特别要注意的问题 a.谷物满载舱端部不平整(免除平整)时的体积 惯侧力矩比端部平整时的力矩往往要大两至三倍- 正:除非该液舱横倾30。时的液体移动力矩M。c<。_ 0981△n1in(kN-m),可以不计其自由液面对稳性曲 线(大倾角复原力臂曲线)的影响。 对国际航行船舶,1999年法规关于初稳性高度 及稳性曲线的修正要求,完全和IMO(A.74 9)要求 只有稳性较富裕的大型货船,如35000 t、28000 t、 70800 t等才能在各种积载因数情况下,实现谷物的 免除平整。否则,如1~2万吨级货船只有个另JJ工况时 (即积载因数偏大的情况)时的个别舱可以免除平 舱,而且此时一般不允许存在部分装载舱。 b.IMO规定,满载舱端部平整和端部不平整时 的货物重心一般就取整个货物处所的体积中心,这 样可以不计甲板下谷物移动引起的垂向力矩有害影 响;但在谷物部分装载时必须计及谷物移动引起的 垂向力矩有害影响,即总体积倾侧力矩一1.12×计 样 即在确定各倾角下液体对稳性的影响时,计及 的舱柜应包括按营运情况同时存在自由液面的每种 液体(包括压载水)的单个柜或舱组;为了确定自由 液面的修正值,假设未装满的液舱应该是那些在装 载jO 倾侧3O。时产生最大自由液面力矩M rs的液 舱,当M 。<0.012xmin(1·m),可以不计其自由液面 影响。 由上可见,国际国内航行船舶关于稳性曲线的 自由液面修正方法基本上是一样的。有时,船东为了 安全起见,要求自由液面对初稳性高度修正时取液 舱惯矩I 最大值而不取j0 舱容对应值,这样过于 算的体积倾侧力矩。电算程序计算时已考虑了有害 影响,手算时则要留意。 满载舱端部平整时货物重量P一货舱净容积/ 积载因数(不考虑空档容积)。满载舱端部不平整时, 货物的体积是在免除平整舱的特定条件下.谷物倾 泻后形成的体积,而非货舱净容积。由于此时空档容 积较大,必须考虑扣除。显然,货物体积比货舱净容 积小,所谓免除平整舱装载量比平整舱要减少就是 这个含义。 保守。笔者认为可参照规范对B一60于舷船舶要求修 正每一类具有最大自由液面的液体舱,且取该舱的 最大自由液面惯矩值,不计一些同类小舱,对此船级 社无意见。 I R船级社伦敦总部还对加压载水的自由液面 对初稳性高度的修正作了一些新建议,凡航行中途 需加压载水的装载状态,可在出港时就计及该压载 舱的自由液面惯矩,而到港时因该压载舱已装满可 c.谷物稳性计算中的许用倾侧力矩表是谷物三 个稳性衡准极限的综合值(无法用一根曲线来表 达),据此校核稳性,在计算该表时要先假定船舶的 最大排水量和最大重心高度。必须注意△max和 不予计及,这可省去航行中途的计算。但笔者认为, 到港时的消耗液体已减少,而这些舱柜重心往往比 较低,到港状态时的全船重心高度一般会升高,稳性 将偏差,如到港不计将不安全,此建议值得商榷。 KGmax值要选择得恰当,要同时满足完整稳性及 破舱稳性极限要求 I R船级社同时还建议,凡满载出港就加压载 4稳性曲线及自由液面修正 (1)1 999年(船舶与海上设施法定检验规则) (CCS船级社)已经颁布,1 992年法规和1995年修改 通报将被取代。 水的装载状态,如该压载舱已装满,可不计及该压载 舱的自由液面惯矩,但到港时不论装满与否都要计 及 压载水舱自由液面对大倾角复原力臂曲线影响, 仍按规范要求考虑。 (2)关于稳性曲线的修正,CCS船级社在99年 法规非国际航行部分中,再一次明确提出:自由液面 对复原力臂曲线的影响可以采用修正重心高度的方 法来计及。 1999年法规分为国际航行部分和非国际航行部 分,非国际航行部分中关于稳性基本要求仍与1 992 法规一样。关于初稳性高度及稳性曲线的修正,强调 凡消耗液体舱和途中加压载水的舱,均应计算装载 50 舱容掖体的自由液面影响;并且假定每一类液 体至少有一对边舱或一个中心线上的舱存在自由液 面,且所取的舱组或舱的自由液面应为最大者。从设 该方法原是IMO对计算谷物稳性的规定,CCS 船级社把它应用到完整稳性中来,可以省去液舱大 倾角自由液面力矩的繁琐计算,结果一般偏安全。其 计算方法是: GZ—KN——KGosin0 计的实践来看,为使设计者和船东掌握船舶稳性的 裕度并留有余地对每一个消耗液体舱都要进行修 常规的计算方法是 维普资讯 http://www.cqvip.com

兰爽:船舶装载厦稳性计算 ·49· GZ—K 一KGsin0 M【S/△ 规定了所有消耗液体舱的分布应使重心在龙骨以上 获得最大可能的高度,且完全装满或完全空舱 该计 算完毕后再按满足所勘划的B一60干舷时的吃水,正 式计算常规装载工况 (2)IMO有关MARPOI 75.(40)决议(73/78 防污染公约 附则I在92年增加第1 3F条关于油船 式中: GZ为复原力臂值; K 为形状稳性力臂值; KG为全船重心高度值; KGo为自由液面对初稳性修正后的垒船重, 高度值(KGo—KG+ETIx/ ̄) EMt's/A与Y ̄TIx/&即复原力臂损失值(△I ); 结构要求后,又新增第25A条【MSC 68/INF1 7)“完 整稳性”的修正案。为防止油船破损和倾覆,IMO对 其装载要求的补充规定更加严格 其一是要求计算工况的△和GM为KM曲线 的最底点状态;其二是修正每一类具有最大自由液 面的消耗液体舱的Max FSM,其三是规定修正所 有压载水舱的Max FSM,压载水总量只取1 ,其 EMfs为液舱大倾角自由液面力矩总和; Y ̄7Ix为液舱初稳性惯矩总和; △为船舶排水量。 图7表示了以上情况 四是规定货物比重一货物重量/0 98×货舱容积 此 处的货物重量是按条件一的规定情况反求而得,其 t 五是规定装载后,所取货油舱的FSM值要达到各 项垂向力矩加货油舱相应的FSM值之和的最大 值,(一般约在98 舱容处),以上各项自由液面的修 正值作为全船重心的升高值,以此来修正GM值。 _一 I 。一 GM值最后必须在0.1 5 rn以上。 以上两种与常规不一样的装载要求是专门为防 止船舶破损或倾覆而特定的要求,在计算时应仔细 图7复原力臂曲线(稳性曲线)及修正示意图 研究规范,模棱两可处宜多和船级社探讨 IMO关于完整稳性计算的规定,未明确用前一 种方法,但有些国外船级社也有此建议。SDARI电 算程序已备有这两种方法,供设计者选用。 6结束语 本文结合规范和船东(船厂)要求,通过与船级 社接触,以笔者这几年的工作实践,谈了一些有关船 舶装载及稳性计算方面的肤浅的认识及体会.还望 5关于某些IMO奢约特殊 装载要求简介 【1)按B一6O干舷勘划的船舶破舱稳性装载要求 与常规不一样,其是规定了各类液舱的比重;其二 是规定了只计算所有消耗液体舱各自总容量的 50 ;其三是规定了修正每一类具有最大自由液面 的液体舱,且取该舱的最大自由液面惯矩值;其四是 各位专家和同仁多多批评指正。 参考文献 [1]船舶设计实用手册.国防工业出版社,1998、 [2 船舶与海上设施法定检验规则.中华^民共和邑船舶 检验局,1 999 [3-船舶水动力学.施内克鲁特(蒋).1997. 

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