曾宇东　林浩东

摘 要 滚装船因航速高、外飘大，艏部砰击问题非常突出。本文以某系列货物滚装船艏部砰击破损的案例为研究对象，基于结构设计时遵循的IACS规范，及目前应满足的LR规范对波浪砰击载荷要求的差异进行有限元强度分析，得出LR规范更符合实际情况。

关键词 滚装船 艏部砰击 规范校核 有限元分析

中图分类号：U661.3 文献标识码：A

1章绪论

1.1 课题的研究背景及意义

滚装船是指用来载运汽车、托盘货或集装箱货，并以轮式车辆滚上滚下（Roll On- Roll Off）装卸的专用船舶。近年来，航运市场与新造船市场持续低迷，但滚装船由于航速快，装卸效率高，港口配套要求不高，可以实现门对门式服务，满足高端客户的要求，船东收益明显，是造船市场不多的亮点之一。

我国经济近十几年的高速增长，也造就了国内滚装船运输市场蓬勃发展，尤其是汽车滚装船运输，表现强劲，随着舟山江海联运服务中心的成立以及“一带一路”国际合作高峰论坛的水顺利召开，当前中国的发展需要建设自己的专业滚装船队伍，建造出适合我们国情及航线特点的滚装船，有利于在国家战略上支持一带一路的发展，支撑民族工业的复兴，可以预计，未来几年将会迎来滚装船建设的高潮。

滚装船由于航速高、外飘大，在恶劣海况中航行时容易发生砰击现象。对于此问题，业界一直在寻求更准确的砰击载荷预报，并进行更可靠的艏部结构设计。

本文从某系列滚装船四艘姊妹船运营十年左右，艏部均遭波浪砰击，造成内部结构裂纹损伤、塑性变形入手，从规范差异分析结构损坏的原因，追溯设计方案的问题。该系列船结构设计时是引用IACS规范，因IACS和LR对艏部砰击载荷的计算迥异，所以本文分别对IACS和LR规范要求的波浪砰击载荷进行有限元分析，并结合实际总结经验，为我国将来滚装船或类似船舶的艏部结构设计提供参考，具有现实意义。

1.2 课题的研究现状

艏部砰击载荷预报是国际上热门的且未很好解决的研究课题，砰击载荷它们轻者将造成船体疲劳或局部变形，重者会引起结构崩溃而导致灾难性后果。1994年9月，Estonia号滚装渡轮在波罗的海的风浪中因罩壳式首门打掉导致舱内大量进水而沉没，九百多名乘客和船员丧生就是一个经典的案例。

民用运输船舶领域，近年来，随着高性能船舶（如多体船）的广泛应用，船舶（集装箱船、LNG船等）大型化的不断发展，砰击问题更加突出。合理预报船舶的砰击荷载及其结构动响应，已成为安全设计船舶的重要前提。

为此，各船级社（Classification Society，简称Class，下同）和国际船级社协会（International Association of Classification Society，简称IACS，下同）对于砰击的机理、砰击引起的船体梁瞬态弹性振动（即颤振，Whipping）等进行了深入研究，并进行实船跟踪，然后将复杂的计算原理简化成方便使用的计算公式，写入规范，供结构设计、检验时采用。

2艏部砰击受损分析

该系列滚装船，为中型货物滚装船，服务航速20.5kn，主要载运纸制品、拖车、托盘货及集装箱等，航行于海况恶劣的波罗的海和北欧海域。

本船具有外飘大、航速高等特点，即使在中等海况下，艏部砰击依然严重。该系列船在投入运营十年后，姊妹船艏部外板均出現较严重的塑性变形，内部构件出现较严重的扭曲变形，甚至裂纹，且损伤部位均位于水线以上主甲板与上甲板之间。本文即是以此系列滚装船为研究对象，分析其艏部砰击受损的原因。该船总长187.06米，型宽26.5米，型深15.65米，方形系数0.7。

2.1波浪砰击载荷计算

本系列船于1998年开始设计建造，当时亦参照URS8首门和内门的要求设计艏部结构。本文又查阅了当时参照的IACS 1997年版URS8首门和内门规范，最新的2010版URS8首门和内门规范，以及LR最新的2014版船舶入级规范第4部分第2章第4节外板波浪砰击载荷加强，发现USR8在波浪砰击载荷计算上变化不大，而LR规范在波浪砰击载荷计算上与URS8的截然不同。

2.1.1规范计算

IACS的URS8艏门和内门规范，适用于所有从事国际、国内航行的客滚船和滚装货船。其艏部波浪砰击压力是按均布压力考虑，随计算点的外飘角、进流角变化。

计算公式为：

Pe=2.75 CH（0.22+0.15tan ） （0.4Vsin +0.6L0.5）2 [KNm2]

LR入级规范第4部分第2章第4节外板波浪砰击载荷加强，适用于入级LR的渡轮、滚装船和客船.其艏部砰击载荷引入了波浪砰击极限速度，即压力峰值的概念。

计算公式为：

Pbf=0.5（KbfV2bf+KrvHrvV2rv） [KN/m2]

2.1.2 波浪砰击载荷对比

根据该船的参数及各位置线型，算得艏部外板波浪砰击压力见表2.2。

表2.2：艏部波浪砰击压力计算表

由表2.2可知，按照LR规范算得的波浪砰击峰值载荷大约是按照IACS规范算得的波浪砰击平均载荷的5～7倍。具体哪个规范与实船损伤更接近，需要进行有限元分析。

2.2 有限元建模及分析

本文对艏部主甲板与上甲板之间的结构使用FEMAP&NASTRAN 2012版软件进行了有限元建模，进行相应约束后，根据表2的设计载荷，施加IACS与LR关于艏部砰击的载荷后，采用线弹性分析的方法进行。

2.2.1 IACS规范评估

在IACS砰击载荷下分别对结构的合成应力、弯曲应力及剪切应力进行校核，可以发现有少量的高应力峰值出现在边界约束区域及热点区域，但因为这些区域因计算失真或应力集中超出衡准值，是可以接受的。所以使用IACS计算的波浪砰击载荷进行考察，艏部结构具有足够的强度抵抗砰击损坏。endprint

2.2.2 LR规范评估

为便于和IACS的结果比较，依然采用线性静力分析的方法，将LR规范计算的砰击载荷施加到有限元模型中，计算过程省略，结果显示与实船结构损坏情况相符。

图1：LR砰击载荷下FR243肋位合成应力云图

图2：实船FR243横梁塑性变形示意图

图1显示了LR砰击载荷在FR243肋位处，四甲板横梁和外板肋骨间连接肘板的两趾端处引起592MPa的合成应力，已超出此处材料的屈服应力极限。这与图2显示的实船FR243外板肋骨裂纹损伤、甲板横梁塑性变形情况吻合。

2.2.3 规范适用性分析

通过分别施加IACS和LR波浪砰击载荷，进行有限元分析，并与实船损伤结果对比可见，LR规范给定的波浪砰击载荷更符合实际。

3结论

本文选取了某系列货物滚装船艏部砰击破损的经典案例进行分析。首先分别对IACS和LR规范要求的波浪砰击载荷进行有限元分析，确认LR规范适用于本案例分析；然后根据LR规范对原有结构的内部构件和外板尺寸进行了规范校核，结合实船损伤情况判断，该系列船艏部结构损伤系内部支撑构件强度不足所致； 各船级社之间关于波浪砰击载荷的计算不尽相同，尽管结构设计时只需满足相应船级社的要求，但建议多参考几个船级社的要求，并选取相对保守的载荷进行设计，因为与营运后的修复成本相比，新造船阶段增加成本微乎其微。

參考文献

[1] 百度百科.滚装船定义[EB].http：//wapbaike.baidu.com/view/142229.htm

[2] 王辉，朱云祥等. RORO船守门砰击载荷设计值的确定[J].船舶力学， 2003.2，（07）： P46-55

[3] IACS. Bow Doors and Inner Doors[S]. URS8， 1997， Rev.2

[4] IACS. Bow Doors and Inner Doors[S]. URS8， 2010， Rev.4

[5] Lloyds Register. Ferries， Roll On-Roll Off Ships and Passenger Ships[S].UK： Rules and Regulations for the Classification of Ships， 2014， Part 4，Chapter 2，Section 4&5endprint