內容提要：結合散裝谷物船舶運輸中的實(shí)際裝載情況，具體分析了谷物的相關(guān)特性和我國現行的《國際航行海船法定檢驗技術(shù)規則》對于散裝谷物船舶穩性校核的要求，建立了穩性計算的數學(xué)模型，運用VisualBasic6．0軟件完成了對非專(zhuān)用散裝谷物船舶裝載穩性計算模擬系統的研究與開(kāi)發(fā)。

關(guān)鍵詞：穩性校核 散裝谷物 裝載軟件 穩性衡準

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(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，嚴重影響了船舶穩性。在惡劣海況下，當船舶各艙內谷物產(chǎn)生的傾側力矩超過(guò)一定限度時(shí)，甚至可能造成翻船事故。

近年來(lái)，由于我國地域間糧食種類(lèi)及數量的供求不平衡性，使得糧食外貿進(jìn)出口量及內貿調撥量迅速增加，因此有不少?lài)H航行的非專(zhuān)用船舶加入從事散裝谷物運輸的行列。該類(lèi)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(shí)船舶的穩性條件更差。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年起就陸續有一些國家和地區制定了要求強制執行的散裝谷物船舶運輸規則。

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

任何散裝谷物運輸船舶在整個(gè)航程中應同時(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(méi)角，取兩者之較小者；

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

(3)經(jīng)對各液體艙內的自由液面影響修正后的初穩性高度應不小于0．3m。

圖1散裝谷物船舶的完整穩性特征

1裝載軟件穩性計算的原理

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

圖2完整穩性計算流程

首先，根據裝載情況計算經(jīng)自由液面修正后的初穩性高度GM；其次，繪制靜穩性曲線(xiàn)(GZ曲線(xiàn))及谷物移動(dòng)傾側力臂曲線(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(對于1994年1月1日以后建造的船舶還應考慮甲板邊緣浸沒(méi)角，取兩者之較小者)，應用近似積分計算三條曲線(xiàn)所圍成的曲邊三角形面積，即剩余動(dòng)穩性(圖l中陰影部分)是否不小于0．075m·rad。

1．1初穩性高度GM的計算

根據文獻[1]，散裝谷物在裝載的過(guò)程中應進(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30º時(shí)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(shí)際使用艙容大于理論上的平艙艙容，往往會(huì )使穩性趨于不利。所以，在計算船舶初穩性高度時(shí)應該考慮谷物的積載因數(包括虧艙因數)的影響。在裝載軟件中提供了具有代表性的三種積載因數即1．25、1．50、1．75m3／t的典型裝載情況的計算結果。

在整個(gè)航程中，經(jīng)對各艙自由液面影響修正后的初穩性高度應不小于0．3m，或按下列公式求得初穩性的值，取其較大值：

(1)

式中：L為所有滿(mǎn)載艙的合計總長(cháng)，m；B為船舶的型寬，m；SF為積載因數，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(jiàn)表1；d為實(shí)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(dòng)橫向傾側總力矩Mu’的計算

谷物橫向移動(dòng)傾側總力矩Mu’是指由于谷物重心發(fā)生橫向移動(dòng)，而使船舶產(chǎn)生一靜傾角的傾側力矩?？蓪⒏髋摴任餀M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；SF為積載因數，m3／t。

其中修正系數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對于滿(mǎn)載艙，當谷物重心位于艙容中心時(shí)，f取1．00；

②對于滿(mǎn)載艙，當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對于部分裝載艙，應補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％的計算

為了計算裝運散裝谷物的船舶由于貨物表面移動(dòng)而產(chǎn)生的不利傾側力矩，應按照文獻[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和艙口外兩部分計算。艙口內，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：經(jīng)平艙的滿(mǎn)載艙按谷面與水平面成15º傾側；對未經(jīng)平艙的滿(mǎn)載艙，在艙口范圍內、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。

根據上面的假設，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及兩側部分。如圖3所示。

圖3散裝谷物艙的剖面圖

設各個(gè)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，再乘以計算長(cháng)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(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)

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

(8)

由上式可以看出，滿(mǎn)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(guān)。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

根據文獻[1]規定，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(cháng)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(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性高度：△為船舶實(shí)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(dòng)穩性值，在軟件中已知靜穩性曲線(xiàn)，只需求右邊界,再用積分相加的方法即可得出。

文獻[1]規定：右邊邊界線(xiàn)是一條垂直于橫坐標軸的直線(xiàn)。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(dòng)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，可以在船舶穩性報告書(shū)中根據排水量查進(jìn)水角曲線(xiàn)求得。

在橫坐標θh～θm范圍內將曲線(xiàn)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范圍內將曲線(xiàn)六等分的等分間距；y0,yl…y6為橫坐標θh～θm范圍內將曲線(xiàn)橫向六等分的每一垂線(xiàn)處量取的船舶剩余復原力臂值(m)。

2裝載軟件計算實(shí)例

在上述理論的基礎上，該軟件通過(guò)運用大量的插值算法，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算結果。本文I)A 23 000DWT散貨船的相關(guān)參數為例，介紹散裝谷物船穩性計算軟件的應用。

2．1船體主要量度

總長(cháng)159．90m 設計吃水9．80m

垂線(xiàn)間長(cháng)149．80m 滿(mǎn)載排水量29 849．10t

設計水線(xiàn)長(cháng)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 物穩性計算

首先，打開(kāi)軟件配載界面(如圖4)，輸入各個(gè)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(lèi)密度)、貨艙的積載因數等，并點(diǎn)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(shí)，軟件能自動(dòng)從船舶數據庫中讀人相關(guān)配載數據，并據此進(jìn)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(diǎn)擊啼(下一步)按鈕，則開(kāi)始按照上述的計算原理進(jìn)行相應的谷物穩性計算，在界面(如圖5)上顯示出穩性校核的結果、GZ曲線(xiàn)和初穩性高度曲線(xiàn)等。

圖5谷物穩性計算結果

最后，軟件將計算出的初穩性高度、橫傾角和假定傾側力矩等參數與國內法規規定值進(jìn)行比較，如果參數數值超過(guò)了法規規定值。軟件能自動(dòng)發(fā)出報警。

選取積載因數1．25滿(mǎn)載不平艙出港狀態(tài)下的谷物船的穩性計算結果，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)的強度(剪力和彎矩)校核。

3結束語(yǔ)

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(shí)的勞動(dòng)強度，提高了配載質(zhì)量。

本文對于散裝谷物船的穩性計算主要依據我國現行的國際航行海船法定檢驗技術(shù)規則所提供的標準進(jìn)行，在一些參數的計算方法上還有待進(jìn)一步改進(jìn)。相信隨著(zhù)計算機智能化的發(fā)展，散裝谷物船的穩性計算一定會(huì )更加準確，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)