CN114044105B - 面向实际应用的集装箱船静水垂向弯矩极值设计方法 - Google Patents

面向实际应用的集装箱船静水垂向弯矩极值设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种面向实际应用的集装箱船静水垂向弯矩极值设计方法，采用基于“不等箱重”配载方法，用以模拟实际装载时集装箱重量不均匀分布的情况，通过引入不均衡系数K来近似量化集装箱沿船长范围内的装载不均匀性。经过统计多型集装箱船达到营运需求值所对应的不均衡系数Ks，确定最终不均衡系数Ks_aver，在同类型集装箱船设计初期，即使船东尚未确定中拱静水弯矩营运需求值，也可获取较为合理可靠的中拱静水弯矩极值用于结构设计。本发明通过绘制的K值‑中拱静水弯矩关系曲线，确定船东给出的中拱静水弯矩营运需求值所对应的集装箱在船肿0.4L内外的不均衡系数，用以检验该营运需求值设置的合理性，为船东确定中拱静水弯矩极值提供建议和指导。

Description

面向实际应用的集装箱船静水垂向弯矩极值设计方法
技术领域
本发明涉及一种集装箱船设计技术，特别涉及一种面向实际应用的集装箱船静水垂向弯矩极值设计方法。
背景技术
船体结构设计时，需要确定作用在船体结构上的载荷。作为总体性载荷之一，船体梁垂向静水弯矩的准确程度对于船体结构设计以及强度评估具有决定意义。船体梁垂向静水弯矩由船体结构重量与所受静水浮力所决定，其中船体结构重量包含空船重量与装载重量，而装载重量主要包括货物、燃油、压载等，因此装载货物的重量及其分布对于船体梁垂向静水弯矩值具有较大影响。
对于集装箱船而言，船体梁垂向静水弯矩设计极值通常是根据装载手册(“等箱重”的配载方法)确定的包络值基础上再增加一定的余量或结合船东对同类型集装箱船营运经验确定。传统的“等箱重”配载方法，即舱内根据20英尺集装箱满载或一舱为空装载8吨/10吨/12吨/14吨/16吨/20吨等均箱至设计吃水或满载吃水；甲板或舱盖上按实际绑扎能力装载同样等箱重的均箱。由于集装箱船装载货物密度较小，且全船布置，因此集装箱船在装载工况下多呈中拱状态，本发明中静水垂向弯矩值指代中拱静水弯矩值。均箱重较轻时，船体首尾结构重量的比重更为显著，导致中拱静水弯矩较大。但实际装载过程中，即使总箱重不变，由于每个集装箱的重量存在差异，如果较重的集装箱更多分布在首尾货舱而较轻的集装箱分布在船舯，就会导致船体梁中拱静水弯矩值大于“等箱重”的配载结果。随着集装箱船大型化的发展，传统基于“等箱重”的配载方法+一定余量已不足以指导垂向静水弯矩设计极值。
发明内容
针对传统“等箱重”配载方法所造成的垂向静水弯矩设计极值不精确的问题，提出了一种面向实际应用的集装箱船静水垂向弯矩极值设计方法，重新分配船舯0.4L(Length，船长)范围内外的集装箱重量，引入不均衡系数K，再次确定集装箱沿全船长方向的重量分布情况，用来获得更接近船东基于同类船型营运经验认可的垂向静水弯矩设计值。
本发明的技术方案为：一种面向实际应用的集装箱船静水垂向弯矩极值设计方法，针对需设计的集装箱船模拟实际装载时集装箱重量不均匀分布的情况，通过引入不均衡系数K，绘制K值-中拱静水弯矩关系曲线；统计多型集装箱船营运经验认可的中拱静水弯矩设计值，结合K值-中拱静水弯矩关系曲线确定最终不均衡系数Ks_aver，使用Ks_aver对需设计的集装箱船进行集装箱船静水垂向弯矩极值计算。
进一步，所述不均衡系数Ks_aver获得方法，具体如下：
1)针对需设计的集装箱船通过传统“等箱重”配载方法确定最大的中拱静水弯矩值，确定此时船肿0.4L内、外的集装箱数量nin_0.4L与nout_0.4L以及对应的集装箱总重量Win与Wout；
2)假设在船肿0.4L内、外两个区域内的集装箱个数不同，船肿0.4L内区域的各个集装箱配载重量均相同，对应其单个集装箱配载重量为Tin_0.4L，船肿0.4L外区域的各个集装箱配载重量均相同，对应其单个集装箱配载重量为Tout_0.4L，引入不均衡系数K，K＝Tout_0.4L/Tin_0.4L，即船舶船舯0.4L以外与以内单个集装箱配载重量的相对比值；
3)依次减少船舯0.4L内区域的单个集装箱配载重量，按每次设定重量进行调整，转而将减少的重量平均分配到船舯0.4L外区域的货舱内集装箱中，并计算每次调整后的K值；
4)基于步骤3)得到的多个K值，分别获取相对应的全船重量分布情况，结合全船浮力曲线，求解不同K值下的中拱静水弯矩值，并绘制K值-中拱静水弯矩关系曲线；
5)在K值-中拱静水弯矩关系曲线中标出中拱静水弯矩营运需求值所对应的不均衡系数Ks，中拱静水弯矩营运需求值为船东基于同类船型的营运经验认可的中拱静水弯矩设计值；
6)按1)～5)要求统计多型集装箱船的K值-中拱静水弯矩关系曲线，并给出各曲线中拱静水弯矩营运需求值所对应的Ks值集合Ks＝{Ks1，Ks2，…，Ksn}，确定n个Ks值的平均值为Ks_aver。
进一步，所述使用Ks_aver对需设计的集装箱船进行集装箱船静水垂向弯矩极值计算：
首先，利用公式(1)和(2)计算，根据步骤1)需设计集装箱船的0.4L以内的集装箱数量nin_0.4L与nout_0.4L，计算Tin_0.4L与Tout_0.4L，进一步获得需设计集装箱沿船长方向上的重量分布曲线，
Figure GDA0003750917760000031
Figure GDA0003750917760000032
式中t为“等箱重”配载中获得最大中拱静水弯矩时的均箱重；
然后，根据需设计集装箱沿船长方向上的重量分布，结合全船浮力曲线，确定不均衡系数K＝Ks_aver时的集装箱船静水垂向弯矩极值为设计值。
本发明的有益效果在于：本发明面向实际应用的集装箱船静水垂向弯矩极值设计方法，采用基于“不等箱重”配载方法，用以模拟实际装载时集装箱重量不均匀分布的情况，通过引入不均衡系数K来近似量化集装箱沿船长范围内的装载不均匀性。经过统计多型集装箱船达到营运需求值所对应的不均衡系数Ks，给出近似值Ks_aver一旦近似值Ks_aver确定，在同类型集装箱船设计初期，即使船东尚未确定的中拱静水弯矩营运需求值，也可获取较为合理可靠的中拱静水弯矩极值用于结构设计。另外，本发明可以通过绘制的K值-中拱静水弯矩关系曲线，确定船东给出的中拱静水弯矩营运需求值所对应的集装箱在船肿0.4L内外的不均衡系数Ks，用以检验该营运需求值设置的合理性。同时，还可以为船东确定中拱静水弯矩极值提供建议和指导。
附图说明
图1为本发明面向实际应用的集装箱船静水垂向弯矩极值设计方法流程图；
图2为本发明两型集装箱船的K值-中拱静水弯矩值关系曲线图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图1所示面向实际应用的集装箱船静水垂向弯矩极值设计方法流程图，具体包括如下步骤：
1、针对需设计的集装箱船通过传统“等箱重”配载方法确定最大的中拱静水弯矩值，确定此时船肿0.4L(从船中算起，朝首尾各0.2L)内、外的集装箱数量nin_0.4L与nout_0.4L以及对应的集装箱总重量Win与Wout。
2、假设在船肿0.4L内、外两个区域内的集装箱个数不同，船肿0.4L内区域的各个集装箱配载重量均相同，对应其单个集装箱配载重量为Tin_0.4L，船肿0.4L外区域的各个集装箱配载重量均相同，对应其单个集装箱配载重量为Tout_0.4L。引入不均衡系数K，K＝Tout_0.4L/Tin_0.4L，即船舶船舯0.4L以外与以内单个集装箱配载重量的相对比值。
3、依次减少船舯0.4L内区域的单个集装箱配载重量，按每次设定重量(表1、2中以每次0.5吨)进行调整，转而将减少的重量平均分配到船舯0.4L外区域的货舱内集装箱中，并计算每次调整后的K值。
4、基于步骤3得到的多个K值，分别获取相对应的全船重量分布情况，结合全船浮力曲线，求解不同K值下的中拱静水弯矩值，并绘制K值-中拱静水弯矩关系曲线。
5、在K值-中拱静水弯矩关系曲线中标出中拱静水弯矩营运需求值(船东基于同类船型的营运经验认可的中拱静水弯矩设计值)与规范要求值(国际船级社要求的中拱静水弯矩规范最小值)以及所对应的不均衡系数Ks与Kr。
6、按(1)～(5)要求统计多型集装箱船的K值-中拱静水弯矩关系曲线，并给出各曲线中拱静水弯矩营运需求值所对应的Ks值集合Ks＝{Ks1，Ks2，…，Ksn}，确定n个Ks值的平均值Ks_aver，取值保留到小数点后一位。
7、根据步骤6获得的Ks_aver，按如下公式确定0.4L以内与0.4L以外各自区域内集装箱配载“均箱重”(吨)：
Figure GDA0003750917760000051
Figure GDA0003750917760000052
式中：nin_0.4L,nout_0.4L分别为0.4L以内和0.4L以外的舱内集装箱数量；t为“等箱重”配载中获得最大中拱静水弯矩时的均箱重。
利用公式(1)和(2)计算，根据步骤1需设计集装箱船的0.4L以内的集装箱数量nin_0.4L与nout_0.4L，计算“均箱重”Tin_0.4L与Tout_0.4L，进一步获得需设计集装箱沿船长方向上的重量分布曲线。
8、根据需设计集装箱沿船长方向上的重量分布，结合全船浮力曲线，确定不均衡系数K＝Ks_aver时的集装箱船静水垂向弯矩极值为设计值。
以下为两型集装箱船采用本发明流程确定K值的结果。
1、以某型9400TEU(Twenty-feet Equivalent Unit，即20英尺标准箱)集装箱船和某型13500TEU集装箱船为例，给出“不等箱装”的配载情况，具体结果如表1所示的9400TEU集装箱船“不等箱重”配载结果和表2所示13500TEU集装箱船“不等箱重”配载结果。
表1
Figure GDA0003750917760000053
Figure GDA0003750917760000061
表2
Figure GDA0003750917760000062
2、将上述两型集装箱船，按不同K值下的中拱静水弯矩值，绘制得到相应的关系曲线，如图2所示：从图中可见，营运需求值较规范要求值均有不同比例的增加，但是船东认可的营运需求值对应的不均衡系数Ks值约在1.2左右，说明该取值足以覆盖大部分集装箱船运营时货物装载的不均衡性。从目前统计的集装箱船看，不均衡系数Ks_ave的取值为1.2。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (2)

1.一种面向实际应用的集装箱船静水垂向弯矩极值设计方法，其特征在于，针对需设计的集装箱船模拟实际装载时集装箱重量不均匀分布的情况，通过引入不均衡系数K，绘制K值-中拱静水弯矩关系曲线；统计多型集装箱船营运经验认可的中拱静水弯矩设计值，结合K值-中拱静水弯矩关系曲线确定最终不均衡系数Ks_aver，使用Ks_aver对需设计的集装箱船进行集装箱船静水垂向弯矩极值计算；所述不均衡系数Ks_aver获得方法，具体如下：
1)针对需设计的集装箱船通过传统“等箱重”配载方法确定最大的中拱静水弯矩值，确定此时船肿0.4L内、外的集装箱数量nin_0.4L与nout_0.4L以及对应的集装箱总重量Win与Wout；
2)假设在船肿0.4L内、外两个区域内的集装箱个数不同，船肿0.4L内区域的各个集装箱配载重量均相同，对应其单个集装箱配载重量为Tin_0.4L，船肿0.4L外区域的各个集装箱配载重量均相同，对应其单个集装箱配载重量为Tout_0.4L，引入不均衡系数K，K＝Tout_0.4L/Tin_0.4L，即船舶船舯0.4L以外与以内单个集装箱配载重量的相对比值；
3)依次减少船舯0.4L内区域的单个集装箱配载重量，按每次设定重量进行调整，转而将减少的重量平均分配到船舯0.4L外区域的货舱内集装箱中，并计算每次调整后的K值；
4)基于步骤3)得到的多个K值，分别获取相对应的全船重量分布情况，结合全船浮力曲线，求解不同K值下的中拱静水弯矩值，并绘制K值-中拱静水弯矩关系曲线；
5)在K值-中拱静水弯矩关系曲线中标出中拱静水弯矩营运需求值所对应的不均衡系数Ks，中拱静水弯矩营运需求值为船东基于同类船型的营运经验认可的中拱静水弯矩设计值；
6)按1)～5)要求统计多型集装箱船的K值-中拱静水弯矩关系曲线，并给出各曲线中拱静水弯矩营运需求值所对应的Ks值集合Ks＝{Ks1，Ks2，…，Ksn}，确定n个Ks值的平均值为Ks_aver。
2.根据权利要求1所述面向实际应用的集装箱船静水垂向弯矩极值设计方法，其特征在于，所述使用Ks_aver对需设计的集装箱船进行集装箱船静水垂向弯矩极值计算：
首先，利用公式(1)和(2)计算，根据步骤1)需设计集装箱船的0.4L以内的集装箱数量nin_0.4L与nout_0.4L，计算Tin_0.4L与Tout_0.4L，进一步获得需设计集装箱沿船长方向上的重量分布曲线，
Figure FDA0003750917750000021
Figure FDA0003750917750000022
式中t为“等箱重”配载中获得最大中拱静水弯矩时的均箱重；
然后，根据需设计集装箱沿船长方向上的重量分布，结合全船浮力曲线，确定不均衡系数K＝Ks_aver时的集装箱船静水垂向弯矩极值为设计值。
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