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江海直达船舶结构强度研究成果

新闻来源:中国船检    浏览量:675 王 娜 何菲菲 2018-01-15
  江海直达运输方式,可以避免货物在江海港间的中转环节,减少货损货差和对环境的影响,降低运输成本和缩短运输时间,是深受货主青睐的运输方式。但目前的海船进江型江海直达模式不能适应江海直达的航行特点,亦难以满足日益提升的节能环保新要求。为此,CCS积极开展了江海直达的波浪载荷研究、结构强度研究、设备配备优化、典型船型开发等工作,基于各项研究成果,制订了适用于江海直达船舶的技术标准——《特定航线江海直达船舶法定检验暂行规则》和《特定航线江海直达船舶建造规范》。本文将简要介绍系列研究工作中江海直达船舶结构强度部分的研究成果和《特定航线江海直达船舶建造规范》中船体结构部分的主要关注点。
  由于目前的江海直达船是按照海船规范设计建造的,其波浪载荷的基础是基于北大西洋环境资料预报值的折减,因此有必须对特定航线江海直达船舶的设计载荷进行分析,从而进一步对江海直达船舶的结构强度进行全面的分析。故基于特定航线风浪条件的结构强度研究成为江海直达船舶系列技术要求研究的主要工作之一。
  江海直达船舶结构强度技术要求的制订原则
  在特定航线江海直达船舶结构强度技术要求研究过程中,在特定水域和特定船舶的范畴下,主要遵循以下两个原则:
  (1)基于载荷第一原则
  按照特定航线所在的特定海域的实际波浪统计资料,对该特定海域船舶的波浪载荷的主要要素进行了分析,包括船体梁波浪弯矩、波浪扭矩、波浪切力、船中区域的水动压力和垂向加速度等。这些主要的波浪载荷要素将作为结构强度研究的输入信息。从载荷计算结果来看,基于舟山水域的环境条件,各预报载荷均一定程度上低于《国内航行海船建造规范》沿海航区的要求。从实际情况看,舟山至长江特定航线的水域范围小于沿海航区,其风浪条件亦稍好于沿海航区。
  (2)与CCS现有技术要求的安全水准保持相当的原则
  江海直达船舶是新开发的船型,采用传统的以使用经验为基础的比较强度理论确定结构的强度衡准并不具备客观条件。根据使用经验和以概率理论为基础的极限状态设计方法,建立江海直达船舶强度衡准体系是较为科学的方法。以一定概率水平确定的载荷和强度的特征值为基础的可靠性分析“水准1法”可以表达为下式要求:
  式中:
  ——结构(构件)的抗力(强度)特征值;
  ——结构(构件)的载荷效应特征值;
  ——强度减小因子;
  ——载荷放大因子。
  应用多个局部安全因子取代单个安全系数后,使得在遵循同一准则进行不同设计时有一个一致的可靠性标准,达到等效安全水平的效果;
  最后,江海直达船舶结构强度遵照“载荷-响应-衡准”的分析思路,基于波浪载荷的研究结论和可靠性水准1法确定的强度衡准,参考《国内航行海船建造规范》和《钢质内河船舶建造规范》中的相关要求,分析并确定了江海直达船舶的船体梁及船体构件的设计工况、设计载荷、力学模型等,对江海直达船舶结构技术要求进行推导。将推导的强度计算公式与《国内航行海船建造规范》、《钢质内河船舶建造规范》相关公式进行比较,并根据情况做适当修订。最后选取典型船,对技术要求采用有限元方法等进行分析验证。
  《特定航线江海直达船舶建造规范》结构技术要求的关注点
  根据研究和评估分析结论,在《特定航线江海直达船舶建造规范》中,对江海直达船舶结构强度在《国内航行海船建造规范》对沿海航区船舶技术要求的基础上,对以下技术要求作出了特别规定。
  (1)《特定航线江海直达船舶建造规范》的适用范围
  根据配套港口、码头的调研情况,特定航线江海直达船舶受物流需求和码头靠泊能力等限制,《特定航线江海直达船舶建造规范》暂定于适用于航行于特定航线1-1和1-2、船长大于等于65m小于150m的散货船和集装箱船。
  (2)江海直达船舶的结构型式
  特定航线江海直达船舶根据市场需求一般为散货船或集装箱船。同时根据用户的实际需求,可设计为结构型式为双底双舷的多用途船。其中散货船强力甲板开口宽度大于0.8B(B为船宽)、集装箱船强力甲板开口宽度大于0.85B(B为船宽)需要补充结构强度直接计算校核。
  (3)江海直达船舶主尺度比
  根据江海直达船特定海域的波浪载荷水平,通过对不同尺度比系列船型的总纵强度研究及剖面配板情况分析,确定了江海直达船的主尺度比范围。其中B/D(B为船宽,D为型深)限定为不大于3,较海船有一定的放宽,以适应船舶的宜江宜海的设计需求。
  (4)江海直达船舶总纵强度
  江海直达船舶总纵强度技术要求研究主要着眼于波浪弯矩、波浪切力、最小剖面模数、最小剖面惯性矩、波浪扭矩、总强度衡准等。根据测算,一条船长149.8m、船宽24m、型深11.8m、吃水8.7m的散货船按照《特定航线江海直达船舶建造规范》的技术要求进行设计,实船的剖面模数可以相对于按照《国内航行海船建造规范》沿海航区技术要求进行设计降低15%左右,实船中横剖面面积降低5%左右。本特定航线江海直达船舶总纵强度技术要求的出台将是改善江海直达船舶经济性最主要的生命力。
  (5)江海直达船舶局部强度
  根据载荷第一原则,特定航线江海直达船舶结构局部强度的主要研究对象针对设计载荷与航区相关的结构构件。在《特定航线江海直达船舶建造规范》中主要针对船舶的甲板、外板、船底构件、舷侧构件给出特别要求。相对于《特定航线江海直达船舶检验指南》,《特定航线江海直达船舶建造规范》首次在江海直达船舶局部强度技术要求制订上有所突破,初步实现了江海直达船舶结构强度技术要求的协调。
江海直达船舶结构强度研究以载荷第一、安全水平相当的原则,并根据相关研究结论,制订了《特定航线江海直达船舶建造规范》中的相关技术要求,满足了江海直达船舶的设计需要,降低了船舶重量,提高了船舶的载重量,改善了江海直达船舶的经济性,具有较好的工程价值。
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