內容提要：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，當船舶各艙內谷物產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量的供求不平衡性，使得糧食外貿進出口量及內貿調撥量迅速增加，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的行列。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自由液面修正后：

(1)由于谷物移動而產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)經對各液體艙內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，根據裝載情況計算經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(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。

在整個航程中，經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，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：經平艙的滿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與邊界面平行的空擋Vd。

(2)假定谷物傾側：經平艙的滿載艙按谷面與水平面成15º傾側；對未經平艙的滿載艙，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)性報告書中根據排水量查進水角曲線求得。

在橫坐標θh～θm范圍內將曲線橫向六等分，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范圍內將曲線六等分的等分間距；y0,yl…y6為橫坐標θh～θm范圍內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據庫中讀人相關配載數據，并據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與國內法規(guī)規(guī)定值進行比較，如果參數數值超過了法規(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，提高了配載質量。

本文對于散裝谷物船的穩(wěn)性計算主要依據我國現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