【毕业论文】 船舶与海洋工程类__题目：装载重大件货物系固方式研究.pdf

武汉理工大学 硕士学位论文 装载重大件货物系固方式研究 姓名：杨守威 申请学位级别：硕士 专业：船舶与海洋结构物设计制造 指导教师：刘家新 20100501 武汉理工大学硕士学位论文 摘要 随着科技的进步、经济的繁荣和贸易的全球化，海上运输作为交通运输产 业中最庞大的一支，也向前迈出了一大步。各国船队不断扩张，各种新船型和 新装载方案相继出现，对新的理论和技术的需求也同趋明显。随着重大件货物 运输船的发展，如何安全地把重大件货物吊装到船上，并为其选择一个合适的 装载位置和可靠地绑扎加固，已日益成为一个重要的课题。 货物的系固简单的理解就是对装载在船舶上的货物进行绑扎、固定，使其 在航运的过程中不会因为受到船舶运动的影响而发生移动、翻转。保证重大件 货物安全运输的首要任务就是对其进行良好的系固。 目前，对于系固方案的校核主要是根据国际海事组织提供的方法来进行， 在校核绑索的受力时，假定各绑索的受力是相同的，而实际上由于各绑索的参 数的不同造成了其受力是不同的。 本文应用船舶耐波性理论和方法，提出了作用于货物单元上运动惯性力的 计算方法，从而为货物系固系统的强度校核提供了比较精确和可靠的力学依据。 在计算出货物在航运中受力的基础之上，对货物及绑扎建立模型，进行静 力分析，解决系索由于绑扎角度等因素而造成的各系索受力不等的计算问题， 为系固方案的校核提供更加直接和准确的方法。 本文提供了大型构件海上运输过程计算研究的一种方法，在学习和借鉴了 其它形式的安全分析的基础上对于柔性系固中系索受力不均的问题提供了一种 解决的思路和方法。 关键词：重大件货物；系固；惯性力；静力分析； 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ha d v a n c e si nt e c h n o l o g y ，e c o n o m i cp r o s p e r i t ya n dt h eg l o b a l i z a t i o no ft r a d e ， m a r i t i m et r a n s p o r ta st h em o s tm a s s i v eo n eo ft r a n s p o r ti n d u s t r y , a l s om a d et r e m e n d o u s p r o g r e s s a st h es h i pf l e e te x p a n di nt h ew o r l d ，c a r r y i n gav a r i e t yo fn e ws h i pa n dn e w p r o g r a ma f t e ra n o t h e r , t h en e wt h e o r ya n dt e c h n o l o g yr e q u i r e m e n t sa r cb e c o m i n g i n c r e a s i n g l ye v i d e n t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fa w k w a r da n dl e n g t h yc a r g os h i p s ，h o w t ot r a n s p o r ta w k w a r da n dl e n g t h yc a r g oo n t ot h es h i ps a f e l ya n ds e l e c tas u i t a b l e l o c a t i o nt os e c u r ei ts t a b l yo nt h ed e c kh a si n c r e a s i n g l yb e c o m ea ni m p o r t a n ti s s u e i nt h i sp a p e r ，am e t h o db a s e do nt h es h i ps e a k e e p i n gt h e o r yi s p r o p o s e df o r c a l c u l a t i n gt h ei n e r t i a lf o r c e sa c t i n go ns u c hc a r g ou n i t s ， a n dt h em e c h a n i c sr e s u l t s o ft h em e t h o di sa p p l i e dt ot h et e c h n i c a ld e s i g no fb e a r f r a m e sa n ds t r e n g t hc h e c k i n g o ft h es e c u r i n gs y s t e m b a s e do nt h ef o r c ec a l c u l a t i n go fc a r g oo nt h es h i p ，m o d e l i n gc a r g oa n ds e c u r i n g m e t h o d ，m a k es t a t i ca n a l y s i s ，t os o l v et h ec a l c u l a t i o no ff o r c ew h i c ha r en o te q u a l b e c o m eo ft h ed i f f e r e n to fe a c hs e c u r i n gd e p a r t m e n ta n dp r o v i d ead i r e c ta ne x a c t w a y t om a k es u r eo ft h es e c u r i n gp r o g r a m t h i st e x tp r o v i d e sal ( i n do fr e s e a r c hm e t h o do f l a r g eg o o d ss e ac o n v e y a n c e in t h ef o u n d a t i o no fs t u d d i n ga n dd r a wl e s s o n sf r o mo t h e r sf o r mo fs a f e t yr e s e a r c h ，d o s o m eo u t l o o k si nt h es a f e t yr e s e a r c ho fs e ac o n v e y a n c e k e yw o r d s ：a w k w a r da n dl e n g t h yc a r g o ；s e c u r i n g ；i n e r t i a lf o r c e ；s t a b l ea n a l y s i s ； 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 武汉理工大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示了谢意。 签名：是窒废 日期：盘! ：塑 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的 全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有 关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息 服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生c ：枷威导师c 签名粕 l 叫 ：扣口、【雌 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 在过去的几个世纪里，人类社会文明在几次科技革命的带动下，得到了空 前的发展，其成果大有超越以往几千年的沉积的势头。交通运输产业随着科技 的进步、经济的繁荣和贸易的国际化而兴旺发达，海上运输作为其中最庞大的 一支，也向前迈出了一大步。各国船队不断扩张，各种新船型和新装载方案相 继出现，原有的理论和技术已经不能满足生产实践的需要。在众多的新的装载 方案所带来的问题中，重大件货的装载和系固绑扎问题尤其突出【。 重大件货物如港口码头用的吊车、造船厂的门吊梁，由于其结构特点或体 积大，重量大等实际情况，很多情况下无法在陆上运输，而只能采取海上运输 的方式。近年来，我国经济的快速发展和海上运输业的不断壮大的同时，国际 航运市场竞争的日趋激烈，特别是中国加人w t o 后，科学技术的广泛交流及对 外贸易的增多，现今海上运输重大件的业务越来越多，重大件的尺寸、重量也 越来越大，这样对驳船运输、装卸、绑扎加固技术的要求也越来越高。由于实 旌大件运输工程是近些年出现和发展的工作且这项工作是一项综合技术要求较 高的工作，装运重大件一定要在科学分析研究装运可行性的基础上，制订切实 可行的方案，严密组织施工，确保安全【2 1 。 货物的系固简单的理解就是对装载在船舶上的货物进行绑扎、固定，使其 在航运的过程中不会因为受到船舶运动的影响而发生移动、翻转。保证重大件 货物安全运输的首要任务就是对其进行良好的系固。 本论文主要是在现有的货物系固相关规定和船舶在航行中的运动理论的基 础之上，针对重大件货物运输进行货物系固方式的研究，提出计算系索拉力的 方法，决定系固方案或对已经确定的系固方案进行安全评价，保证航运过程中 船舶及货物的安全。 1 2 课题研究的目的与意义 重大件货物多属于非标准货物，通常需要专门配载并需用特殊系固索具进 武汉理工大学硕士学位论文 行系固。重大件货的共同特点是重量大，尺寸大，如果系固不当就会造成货物 滑移、倾倒，酿成重大事故。事实上，由于系固不当所引起的海难事在国际航 运中时常发生【1 9 1 。 1 9 9 9 年1 1 月2 4 日，山东烟大汽车轮渡股份有限公司“大舜 号滚装船， 由于对货物系固发生严重失误，在烟台附近海域遇上大风浪之后，发生货物移 动，车辆在互相碰撞挤压中，造成了漏油，继而引发了大火。此后“大舜 号 因火灾失去动力的情况下在海上飘流了6 个多小时后沉没，海难导致2 8 0 余人 遇难。 1 9 9 9 年6 月，a n j 轮从欧洲装运1 3 台风力发电机回国，由于对于发电机 的系固不当，航经印度洋受到西南季风影响时发生货物滑移，致使1 3 台风力发 电机全损的严重货损事故【1 3 1 。 2 0 0 2 年2 月安龙江轮从丹麦装运9 台风力发电机到日本，该设备价格昂贵( 每 台价值2 0 0 多万美元) ，经反复研究，汲取a n j 轮承运相同货物发生严重货损 的教训，分析航区可能遇到的困难和风险，他们抓住了绑扎加固的关键，对每 件货用1 2 条链条进行绑扎并另加烧焊固定，使货物稳如泰山，当船过比斯开 湾时遇到9 级强风，船舶最大横摇角甚至超过4 0 度，但由于系固工作落实到位， 货物没有发生任何异常情况，成功将货物送达，完成了本航次的任务【2 。 从这些案例中我们不难发现，重大件货物良好的系固是其运输中不可或缺 的重要部分。虽然国际上许多科研机构都制定了货物单元系固的相关规定，但 是国内外大量海损事故调查结果表明，船舶大型物件系固不良引起的物件倾覆、 滑移仍然是造成船舶“严重事故”甚至船、货“全损的主要原因之一【2 2 1 。 因此，如何在现有理论和规则的基础之上，比较准确地计算航行中货物的 受力情况和绑扎中系固设备的受力情况，核算系固方案的安全性已经成为符合 生产实践的需要已经成为一个新的课题。 1 3 与课题相关研究的现状 1 3 1 货物的分类 所谓“货物单元( c a r g ou n i t ) 是指除液态、固态散货以外的一切件装货， 如车辆、集装箱、板材、托盘、便携式容器、可拆集装箱构件、包装单元二成 组货，其他货物运输单元如船运箱盒、件杂货如线材卷、不是永久固定在船上 武汉理工大学硕士学位论文 的装载设备或其部件，也应被视为货物单元。 根据船舶为其货物单元装备的货物系固系统情况，又可将货物单元分成三 类：标准货物、半标准货物和非标准货物p j 。 标准货物( s t a n d a r d i z e dc a r g o ) ：指船上装备有为其特定种类设计并批准的货 物系固系统的货物单元，如标准集装箱；适用与集装箱船和可装运集装箱的多 用途船。 半标准货物( s e m i s t a n d a r d i z e dc a r g o ) ：指船上装备有能适应于其有限种类的 货物系固系统的货物单元，如公路车辆、滚装拖车拖车、铁路机车等，通常采 用滚装船来装运； 非标准货物( n o n s t a n d a r d i z e dc a r g o ) ：指需要专门堆装和系固安排的非散装 货物。如重大件货、钢卷、木材等，通常采用重大件货物专用船、多用途船、 近海供应船等来进行运输，运输中需要对货物进行严格的绑扎系固。 重大件货物一般指笨重、体积过大或尺度过长的货物，通常情况下重大件 货物需要个别积载和系固布置，故而划归到非标准货物中。它以货物单件重量 及尺度作为界限，各国规定不一。我国规定，国际航运中凡单件重量超过5 吨 或者单件长度超过9 米的货物，沿海运输中凡单件重量超过3 吨或者单件长度 超过1 2 米的货物，均属于重大件货物；按国际标准，凡单件重量超过4 0 t ，或 单件长度超过1 2 m ，或单件高度或宽度超过3 m 的货物称为超重、超长、超宽或 超高件【6 】【2 4 】。 1 3 2 系固方式及系固设备 重大件货物常见的系固方式主要有柔性系固和刚性系固两种方法。所谓柔 性系固是指采用绳索、铁链、钢丝和其他的紧固锁具将货物固定于船舶的货舱 或者承重甲板之上，使其在海运中不会因为船舶摇晃而发生货物滑移或者倾覆 等危害船舶安全的情况。柔性系固一般适用于单件重量不大于4 0 t 的、长度不大 于1 2 m 的重大件货物单元。而刚性系固是将货物与专门设计的支座一起，固定 于船舶的货舱或者其他可承重部位，通常是将支座、货物与船体焊接在一起， 与船形成一个整体，以保证货物在海上运输的过程中不会因为船舶的摇晃而发 生倾覆和滑移。刚性系固与柔性系固相比，主要是用于超长、超宽或者超重的 特大件货物，如海洋平台、风力发电机组、机车头、工业上成套的设备等等。 海上运输时问证明，在特大件货物的运输中，采用刚性系固才是保证运输安全 武汉理工大学硕士学位论文 的可靠手段【7 】闱。 货物系固设备系指所有用于系固和支持货物单元的固定式与便携式装置。 固定式系固设备系指系固点及其支撑结构。这些设备既可以是内部的，如焊接 在船体结构内，也可以是暴露在外的，如直接焊接在船体结构外部。固定式系 固设备应被视为船体结构的部分，并在对船体的常规检验中同检验。固定 式系固设备主要分类如下： ( 1 ) 眼板、带环螺栓等舱壁、强肋骨、支柱等上的系固设备； ( 2 ) 象脚装置、集装箱角件孔等甲板上的系固设备； ( 3 ) 固定于天花板上的固定式系固设备。 便携式系固设备是指用于货物单元绑扎、系固和支撑的可移动式设备。便 携式系固设备主要分类如下： ( 1 ) 集装箱堆装装置，集装箱甲板系固装置，集装箱互锁装置，桥式联锁器等； ( 2 ) 链、钢丝绳、棒等； ( 3 ) 张紧器( 如：花篮螺丝、紧链器等) ； ( 4 ) 小汽车及其他车辆的固定装置； ( 5 ) 用于车辆( 拖车等) 的支架与千斤项； ( 6 ) 用于易滑货物的防滑材料( 如：软板) 【8 1 。 刚性系固通常需要根据具体的货物单元和船舶来进行结构和强度的设计， 而且至今没有系统的可供参考的标准和指导性文件，一般是根据实际货物单元 参数和航运经验来进行现场制作、现场安装，没有精确的理论设计及计算，在 实际生产实践中，简单受力的结构计算尚有法可依，而对于复杂些的结构，计 算难度相对较大，甚至无法精确计算，无法很好的起到应有的指导作用，容易 导致本可避免的海难事故【刀【9 1 。 刚性系固的系固件的设计及计算中比较重要的问题大致可以概括为以下几 个方面：系固件构件的结构形式及尺寸设置、系固件的布置以及构件尺寸与运 输船船体结构的关系、系统受力计算模型简化以及货物单元对同一组绑扎件的 构件之间连接的模拟等 3 1 】。 在当前重大件系固工程中，多数情况下都是设计制作合适的结构件，并与 船体结构焊接在一起来阻止货物滑移和倾覆，属于刚性系固，比之柔性系固的 好处是适用性和针对性强、强度和安全性较好、安装和操作也相对方便，缺点 是系固成本较高、一般只能次性使用，在卸货时还需要专门设备来拆除系固 结构件。 4 武汉理工大学硕士学位论文 柔性系固的系固装置的形式就相对固定，如图2 1 所示是甲板货物绑扎装置 简图，一般主要有以下几个部分组成： 图2 1 系固设备简图 ( 1 ) 钢质立柱，安插在主甲板船舷两侧的承窝内，承窝纵向按一定间距排列， 其下方用铁丝与固定在舷墙上缘的半圆环铰接，上方采用纤维绳与纵向钢丝绳 扎紧相互牵制定位，防止立柱滑出。 ( 2 ) 主甲板边板上，每两根立柱之间有三个半圆环形的地铃，其作用就是用 于固定钢丝绳及铁链条，作为收紧甲板货物的受力点。 ( 3 ) 长钢丝绳用于在梁顶部穿过铁滑轮收紧钢丝绳软环，钢丝绳软环两端所 带的批把头与靠近立柱两边的地铃固定。 ( 4 ) 另配有大花兰螺丝，大花兰螺丝的两端与铁链条相连，铁链条的另一端 与中间的地铃固定，大花兰螺丝位于梁的上方中部，起收紧铁链条之用。【2 】 在实际的生产实践中，为有效防止货物在海运过程中发生滑移和倾覆，积 载在甲板上或货舱重大件货的加固可分为支撑、焊接、垫、绑扎等多种方法， 具体应用时多为综合使用，必要时还可以造台以防货物移动。货物的加固须以 货件的具体情况和航行海区与季节以最恶劣的条件为依据来决剥2 3 1 。 本文将重点研究是是柔性系固，系索在船舶横摇、纵摇、垂荡运动的作用 下的受力情况。根据船舶、环境因素、货物参数来计算货物在航运的过程中可 能受到的最大作用力，然后进行静力分析列平衡方程计算各系索的受力大小， 与系索最大系固负荷比较判断系固方案的安全性。 武汉理工大学硕士学位论文 1 3 3 货物单元系固的相关规定 国际海事组织( 蹦o ) 于1 9 9 1 年第1 7 届大会通过了货物积载和系固安全操 作规则( c s sc o d e ) ，即a 7 1 4 ( 1 7 ) 号决议，为货物的安全积载和系固提供了一 般性的建议。该规则在关于货物系固的一般要求中提到：各系索松紧适宜、受 力均匀、尽量对称分布、长度不能过长、更不能一索多道：绑扎角一般应取3 0 。 6 0 。；必要时，应使用防滑材料增大磨擦系数等。 1 9 7 4 年国际海上人命安全公约的9 4 年修正案要求一切国际航行的新建及现 有货船自1 9 9 6 年7 月1 日起在装载“货物单元”时应随船配备经主管机关批准 的货物系固手册( c a r g os e c u r i n gm a n u a l ，c s m ) 。 在1 9 7 4 年( s o l a s ) v i 5 中关于积载与系固的规定为：装载在甲板及甲板之 下的货物单元应安全积载和系固，以便在整个航行过程中避免任何对船舶及人 员的危险和甲板货的丢失。而在v i 5 6 中规定：包括集装箱在内的货物单元， 应在整个航程中按主管机关批准的( 货物系固手册) 装载、积载和系固，该手册标 准至少应等同于本组织的指南【3 】【z 7 1 。 此外一些船级社也根据i m o 规则及相应的具体情况，提出了各具特点的系 固规则和指南。 1 3 4 国内外的研究现状 关于货物系固方案的核算，其关键在于对于货物单元惯性力的计算，大致 存在以下几种方法【3 5 】1 3 6 3 7 】： 第一种方法是采用各部位基本加速度值计算货件惯性力的各个分量，这是 最为简化的方法，适合常规船型，但没有考虑具体船型，也没有计及货物重力 横向及垂向分布等对运动惯性力的影响。为了较正确地估计作用在货物上的惯 性力，特别对于采用刚性系固技术的大件货物，计入货物偏离船纵向对称平面 的距离对惯性力的影响是重要和有意义的。 第二种方法是设想摇荡运动惯性力在最坏情况下迭加，其计算结果表示可 能发生的惯性力的最大值。取波高为h o 。作为计算的基础，相应得到的船舶 运动幅值的超过概率为4 ，此计算的结果对于航行于其它海区的船舶具有参考 价值。由于横摇对系固安全的重要影响，并且横摇本身又具有明显的非线性特 征，因此建议对最大横摇角的估计给予较大的安全裕度。实际上，船舶在横向 发生谐摇时，最大的横摇角可能达到3 0 。或更大这时作用在货物上的惯性力有 6 武汉理工大学硕士学位论文 可能超过计算值，船舶驾驶员在实际操作中应避免这种情况发生。相比( c s s 规则推荐的计算方法，此方法的计算过程比较复杂，因此在实际使用中通常 需要计算软件的支持。但是，这种方法没有考虑到各运动之间相位的变化【3 刀。 第三种方法是考虑各运动之间的辐合作用及相位变化，相比前两种方法更 能反映实际的海况，船舶运动根据耐波性理论得到，其附加质量、阻尼及波浪 扰动力根据三维格林积分法计算，该法适合于常规及非常规运输船装运大型货 物时最大惯性力的计算，值得参考，但此法是基于二维波理论，而实际海浪是 三维非规则波的。 i m o 制定的( c s s c o d e 在对货物单元系固方案进行校核时，推荐了经验 方法和精确计算方法。经验方法是依据货物的重量p ( 9 8 1 0 来确定所需绑扎系索 的根数。经验方法的优点是简单、计算迅速，其不足在于既忽略了货物装载的 位置、船舶稳性、装载状况、航行的季节和区域，也未考虑系固角和系固装置 中的非同类力分布的不利影响，又没有考虑摩擦力的有利影响。精确计算方法 则是先确定绑扎的方案( 即设定横向系索根数和纵向系索根数) ，然后进行校核， 比较计算结果看是否满足，若不满足要求，可调节方案，直到满足要求为止。 在实际应用中，该方法可通过计算公式或者列表计算后，进行比较判断。其优 点是考虑影响的因素比较全面、科学性强、结论准确，其不足在于计算复杂、 繁琐、费时1 4 2 1 。 我国范育军教授根据i m o 关于货物单元系固的经验方法和精确计算方法， 在其计算原理的基础上，根据可以确定的系索的最大系固负荷( m s l ) ，推算出船 上常见的每根系索( 经验方法) 或每个方案( 精确计算方法) 中所能承受的货件最大 重量p 一( t ) ，这样在使用时可根据货物单元的重量，可直接查找预先确定所对 应的方案，比较简单方侧4 】【3 0 】。 此外，还有国外的一些研究机构( 如l r ，a b s ，d n v ) 以及一些传统方法等 通过对实船和模拟船的测试和数据分析，也提出了具有各自特点的系固规则。 由于船舶加速度值是作为较核载于船上货物的系固有效性的重要依据，上海海 事大学的邱文昌教授采用不同的规则通过对六种船型同一点加速度的计算，结 果发现： ( 1 ) ( ( i m o 规则和传统方法适合于非标准货物，( c c s 规则、 l r 规则 和( a b s 规则适合于标准货物；而d n v 规则则适合于半标准货物f 2 9 】。然 而，从本质上说，就船舶加速度值而言，应当与船舶和所设定的海况参数有关， 而与货物的种类应当是无关的。 7 武汉理工大学硕士学位论文 ( 2 ) d v o 规则，c c s 规则， s l r 规则和( a b s 规则所提供的船 舶加速度值计算方法均是基于规则波本身所设定的恶劣海况为条件，d n v 规 则的计算方法中提供了一个根据特定航次预测的浪高为自变量的船舶加速度 折减系数计算公式；而传统方法则需要自行设定许多恶劣海况下如船舶最大纵、 横倾角，船舶纵、横摇摆周期，波浪高度等参数。 ( 3 ) 六种计算方法所得的船舶加速度值均与船长、船宽、船上纵向和垂向位 置有关。仅按( i m o 规则确定的船舶加速度值与船舶航速有关：按w 规 则和传统方法确定的船舶加速度值与所设定的最大波高有关；而按( 0 时系索i 的拉力将增加，系索的总拉力为： e = 厶，+ 职2( 4 - 4 7 ) 且方向与位移方向相反 1 3i o 时，拉力将减小，系索的总拉力为： 巧= 一皿2 ( 4 4 8 ) 且e 0 ，方向与位移方向相同。将所有f i 沿x 轴和z 轴分解合成可得沿两个 方向的总拉力为： 肛2 乏螂仇 ( 4 - 4 9 ) 【= 2 e 鼻s i n c r ， r “7 由式( “2 ) 、( 4 - 4 3 ) 、( 4 - 4 9 ) 、( 4 - 5 0 ) 可知，系索沿x 轴方向和z 轴方向的拉力分别 为： 肛f f ：h + f f f h ( 4 - 5 0 ) 【= 厶+ 根据力的平衡法则，货物在系索的x 向拉力f h 、纵向综合外力r x 、摩擦力 f 的作用下平衡，可列平衡方程如下： 瓦+ 一r x = 0( 4 - 5 0 ) 式中：n 为正压力，且n = c + 足：。 通过式( 4 - 5 0 ) 可以求出系索水平拉力的合力，而f i h 、f i h 也可以根据式 ( 4 3 8 卜( 4 5 0 ) 中给出的关系式求出，进而可以求出纵向、横向各系索的受力情况 以及各系索张力的增量5f i 、6f i 2 0 并且通过比较得出系索的强度是否满足要求。 由本节所给出的方程和关系式可知，6f j 随着f o j 的减小而减小、6f i 2 则是 随着f o i 的减小而减小。 值得注意的是，由于横向系固一般只是左右舷对称的，沿船长方向通常不 一定对称，故需要做不对称系固来计算。而在本文的计算过程中，只需要改变 1 3i 的符号即可完成验算。从而在两次计算后得出系索受力可能达到的最大值。 3 5 武汉理工大学硕士学位论文 3 2 2 3 横向滑移分析计算 在图4 - 5 ( a ) 中，设系索与y 轴的夹角为8i ，假设货物沿y 轴方向移动极小距 离6y ，即横向滑移6y ，由于纵向系索均与船长方向平行，故横向的滑移6v 对 其拉力的影响可以不计，只考虑对横向布置的系索的拉力的影响。由图根据三 角形关系可知系索i 的长度变化为： 琵i = 6 y c o s 6 1 c o s 8 i ：l i c o s i g l ic o s i = c o s 口ic o s 届 与纵向系索计算方法同理有： 亟：里：c o s c c , c o s a j 弼3 瓯c o s qc o s 属 噩：= m i n ( s f j 3 ，f o f ) ( 4 5 1 ) 托咄一璺( 4 - 5 2 ) 防= f o ，一皿： f i ，f i 分解为y 轴方向和z 轴方向的分力分别为： 鲁2 f 。i c o s o e i - f 。i 咖毛( 4 - 5 3 ) l 以= cs i n a ! f + es i n a f 总的水平力和垂向力为： 肛善2 ( 4 - 5 4 ) 【t = 乓 根据力的平衡法则，货物在系索的x 向拉力f h 、纵向综合外力r x 、摩擦力 f 的作用下平衡，可列平衡方程如下： e + 一r y = 0 ( 4 - 5 5 ) e + 疋一n = 0 ( 4 - 5 6 ) 同样由式( 4 5 5 ) 解出f h ，再根据各系索拉力的比例关系即可求出每根系索的 张力变化大小6f i 3 0 同时有( 4 5 3 卜( 4 5 6 ) 可知，当f o j 减小时，6f i 3 会随着增大。 3 3 系索系固拉力分析 通常情况下，货物在船舶上的装载部位一旦确定，由于货物上的系固点和 船舶上的系固设备位置的确定，系固角就确定下来，那么接下来要做到工作就 武汉理工大学硕士学位论文 是选取合适的系索。系固拉力的计算是判断系索是否能够满足要求的依据。 根据4 2 中三个方向的计算，可以知道系索的预张力如的存在会影响到张 力增量6f i 的大小，而系索在受到惯性力之后的总拉力计算式可以写为： 鼻= e o i + 皿l + 皿2 + 皿3 = f o i + 皿 ( 4 - 5 7 ) f i = f oi-i-帮；(4-58) 由前文分析中已知，6f i 随预张力f o 的增加而减小，因此在不同的预张力 之下，系索的最大拉力也是不同的。那么只有当预张力f o 的大小恰当的时候， f i 才能达到最小值。 3 4 本章小结 本章详细介绍了系索系固力的计算方法，分析现有的经验计算法和i m o 提 供的精确计算方法中的不足之处，在此基础之上，对实际绑扎情况抽象化，建 立起模型，并根据模型的特点，进行静力分析，得出变形协调方程，计算每根 系索的受力大小。从而为判断系固方案的安全性提供直接可靠的依据。 3 7 武汉理工大学硕士学位论文 第4 章实例分析 现以一艘甲板货物运输船舶，某航次运输多件重大件为计算实例。本文主要 就系索的强度来进行校核，而系固中的系固力对船舶强度的影响不是本文不做 讨论。本次航运中由于货物都不是特大型重大件货物，主要还是采用的柔性系 固。货物装载于甲板之上。船舶及货物的主要参数如下： 4 1 船舶及货物的主要参数说明 船舶为圆舭型大方形系数船舶，主尺度如下： 船舶总长：l o a _ 1 2 5m ； 型深d - 7 5m ； 型宽b = 3 5m ； 航速v = 9k n ； 装载货物之后： 吃水d = 5 0m ； 水线长l = 1 2 5m ； 方形系数c b = 0 8 3 6 ； 水线面系数c w - 0 9 1 0 ； 重心高度z g - - - 6 4 3 8m ； 经自由页面修正的初稳性高g m = 1 9 2 6 2m ； 重心到水线的距离o g = i 4 3 8m ； 长宽比l b = 3 5 7 ； 船宽吃水比b d = 7 0 0 ； 漂心纵坐标为x 严1 3 2 9m ； 货物的参数： 本次一共装载8 件同样的货物，装载于甲板之上，摩擦系数u = o 3 ，货 物的布置如图5 1 所示： 3 8 武汉理工大学硕士学位论文 田固固团 图刮固固 图5 1 编号l 一8 为8 件相同的货物，单件重量及其他参数如下： 长度：l c = 8r n ； 宽度：b c = 4 m ； 高度：h e = 3m ； 重量：m = 7 5t 货物重心位置 长度方向x o = 4 m ； 宽度方向y o = 2 m ； 高度方向z o = 1 8 5m ； 本例中选择货物8 来进行计算，其他货物的计算与之类似，货物8 装载位置 为：纵向距离船中2 4 m ，横向距中纵剖面5 m ，垂向距离基线为8 3 5 m 。 4 2 货物综合外力的计算 按照第三章首先计算船舶的最大横摇角、横摇周期、最大纵摇角、纵摇周 期、垂荡幅值、垂荡周期，然后确定货物在横向、纵向和垂向的惯性力、风力、 波溅力，通过e x c e l 编制表格计算，计算结果为： 由a = o 4 4 6r a d t m = 7 6 6 0s 0a - o 1 2 6 0r a d to = 8 5 4 5s z a = 1 3 5 3mt z = 7 6 7 5s 货物的包含重力的综合外力为： r x = 1 4 3 1 4 0 k n r y = 4 8 4 6 0 1 k n r z = 3 5 6 0 2 5 k n 3 9 武汉理工大学硕士学位论文 4 3 系索系固布置 货物8 系索的系固布置如图5 _ 4 ，l x i 系索两端的水平纵向距离，l y i 系索 两端的水平横向距离，h i 系索两端的到甲板距离。具体数值见表5 1 ，选用系索 的m s l 为1 0 8 k n ，校核该方案是否可行。 图5 4 系索布置方案 表5 1 系索布置参数 方向编号il x i l y i h i q 1 3 横向 l 0 8 8 1 7 22 5 02 7 横向 2 0 9 51 6 5 2 4 53 0 横向 3o1 7 52 55 50 横向 4 o 5 71 5 825 02 0 横向 51 31 5 524 04 0 纵向 6 1 3 01 8 5 5 50 纵向 71 3o1 8 55 50 4 4 系索拉力的计算 由第四章内容可知，货物系固布置确定的情况下，系索的预张力不同的情 况下，系索所受的最大张力会不同。分析货物的纵向受力和垂向受力可知， f 。一ur ：= 1 4 3 1 4 0 - 0 3x3 5 6 0 2 5 = 3 6 19 2 5k n 且货物垂向受力尚未计及系索的垂向分力，因此货物纵向只需要较小的系固力 即可满足平衡，可取纵向系索预张力较小，取为1 5 k n 。 武汉理工大学硕士学位论文 横向翻转和滑移的平衡校核时本算例的重点，可以分别取横向系索的预张 力为15 k n 、2 0 k n 、2 5k n 、3 0 k n 、3 5 媒、4 0 k n 、4 5 k n 、5 0 k n 、5 5 k n 、6 0k n 计算系索的受力情况，计算结果如下： 表5 - 2 系索受力计算结果 横向系索受力( k n ) 预张力 1 01 52 02 5 3 03 5 19 6 9 6 99 3 3 8 59 2 7 4 99 2 6 1 19 2 4 7 39 2 3 3 5 29 7 0 5 79 3 8 9 69 3 5 7 39 3 7 2 99 3 8 8 69 4 0 4 3 39 5 1 4 29 1 4 2 69 1 0 0 89 1 1 4 89 1 2 8 89 1 4 2 8 41 0 0 8 3 59 7 0 0 69 6 1 6 79 5 8 3 49 5 5 0 19 5 1 6 9 59 2 0 2 38 9 4 6 78 9 5 3 29 0 0 4 l9 0 5 4 9 9 1 0 5 8 纵向系索受力( k n ) 61 9 7 5 01 9 1 8 91 8 6 2 91 8 0 6 9 1 7 5 0 81 6 9 4 8 71 9 7 5 01 9 1 8 91 8 6 2 9 1 8 0 6 9 1 7 5 0 81 6 9 4 8 横向系索受力( k n ) 预张力4 04 55 05 56 06 5 1 9 2 1 9 79 2 0 5 99 4 0 0 59 7 0 4 31 0 0 2 1 81 0 3 3 9 2 2 9 4 1 9 99 4 3 5 69 6 7 4 19 9 9 5 31 0 3 0 0 11 0 6 0 4 9 3 9 1 5 6 89 1 7 0 7 9 3 。9 3 5 9 7 1 0 6 1 0 0 2 7 71 0 3 4 4 9 4 9 4 8 3 69 4 5 0 3 9 6 3 6 89 9 3 4 01 0 2 4 1 51 0 5 4 8 9 5 9 1 5 6 79 2 0 7 59 4 7 1 99 8 0 7 81 0 1 2 0 71 0 4 3 3 6 纵向系索受力( k n ) 6 1 6 3 8 8 1 5 8 2 7 1 5 2 6 7 1 5 0 0 0 1 5 0 0 01 5 0 0 0 7 1 6 3 8 8 1 5 8 2 7 1 5 2 6 7 1 5 0 0 0 1 5 0 0 01 5 0 0 0 4 5 结果分析 从结果中可知，随着预张力的变化， 且横向系索的最大拉力分别如下 f o = 10 k nf 瑚。= l0 0 8 3 5 k n f o = 2 0 k nf 嗽x 一9 6 16 7 k n 4 l 系索的最大拉力发生较为明显的变化， f o = l5 k nf 桃= 9 7 0 0 6 k n f o = 2 5 k nf 嗽x _ 9 5 8 3 4 k n 武汉理工大学硕士学位论文 f o - - - 3 0 k nf 蛐= 9 5 5 0 l 赋f 萨3 5 感 f m = 9 5 1 6 9 k n f o = 4 0 k nf 嘲= 9 4 8 3 6 k nf o = 4 5 k n f 岫产9 4 5 0 3 k n f o = 5 0 k nf n 瓤= = 9 6 7 4 1 l 忒f o = 5 5 k nf m 缸_ = 9 9 9 5 3 k n f o = 6 0 k nf 懈= 1 0 3 0 0 1 斟f o = 6 5 k nf 衄= 1 0 6 0 4 9 l ( n 由以上数据可以看出，横向系索最大拉力f n 锨随着预张力f o 的增加而逐渐减 小，当f o 大约为4 5 时，f 曲x 达到最小，而后随着f o 的增加而逐渐增大。其原因 在于：f o 的存在影响着货物受力后系索拉力的增量，f o 越大，系索拉力的增量 越小。f o 增大时，6f 减小，当f o 足够大之后，对于6f 的影响越来越小，故而 当f o 达到一定大小之后，再继续增加时，系索总的拉力就又会逐渐增加。 对于纵向而言，由于系固方案中系索存在沿船长方向的水平系固角，可以为 货物提供有力的纵向分力，所以纵向系索所需要承受的拉力均较小，可以考虑 减少纵向系索或者取消纵向系索后重新进行核算。 比较f 。撇与m s l 可以得知，当f o 在4 5 k n 左右时，m s l f m a x = i 1 4 ，这说 明系索强度有一定裕度，可以保证安全，而如果预张力施加不当，考虑到计算 的精确程度，系索实际所承受的拉力可能超过其破断强度或者与之很接近，可 能造成航行过程中的不安全。 4 6 本章小结 本章是对前文中提出的计算方法的应用，首先中通过通过第三章介绍的方 法计算出货物所受的最大综合外力，然后根据系固布置和本文提出的系索受力 计算方法计算各系索可能受到的最大拉力，与系索的最大系固负荷( m s l ) 相比 较，从而来选定系索或者判断已经选择的系索是否满足要求。 4 2 武汉理工大学硕士学位论文 5 1 论文工作总结 第5 章结论与展望 本文在波浪理论的基础之上，讨论总结了船载重大件货物的加速度、惯性 力的计算方法，为系固受力计算的外载荷提供可靠的依据。 在确定了货物的外载荷之后，对货物及绑扎建立模型，进行静力分析，解 决系索由于绑扎角度等因素而造成的各系索受力不等的计算问题，分别计算出 每根系索的受力大小，分析系索预张力的大小对于系索所受总拉力的影响，寻 求合适的预张力使得系索在该布置方案下所需承受的载荷达到最小，为为航运 中货物系固方案的确定、系索的选取和系固安全的评价提供直接可靠的依据。 5 2 论文展望 通过本文的工作，积累了一定经验，明确了下一步努力的方向： 1 ) 由于船舶在波浪中的运动不确定因素很多，如何更加精确的计算货物的 加速度是下一步仍要努力的方向； 2 ) 本文中加速度最大值采用的是最差条件迭加法，但在实际船舶的航行 中，由于相位差的存在，最大加速度可能无法达到最差条件迭加所计算 的值，本文中计算偏于安全； 3 ) 本文中系固的计算虽然引入了横向的水平系固角对系固的影响，但是对 于主要还是讨论的对称系固的系固力计算，可以再以后的工作中进一步 在此基础上推广到非对称系固的计算。 4 ) 系索预张力对于航行过程中系索的受力有着较大的影响，同一组方案， 可能由于预张力选取不合适而导致航行过程中出现问题，因此选取合适 的预张力是十分有意义的。本文中尚未决最佳预张力的求取方法，在未 来可以做进一步的深入研究。 从上面可以看到，尚有很多问题未解决，由于时间和精力都有限，仅提出 了系统的整个架构，实现了其中的部分功能，更多的工作还有待于进一步的研 究。 4 3 武汉理工大学硕士学位论文 致谢 在完成硕士论文之际，回首研究生阶段的生活，首先感谢我的导师刘家新 教授对我的教育和培养，对我学习和生活上的关心和帮助。刘老师严谨的治学 态度、理论与工程实践相结合的丰富经验、缜密又不失创造性的思维方式，严 肃的科学态度，严谨的治学精神，一丝不苟的工作作风，深深的感染和激励着 我。虽只有短短的三年，却必定让我受益终生。从课题的选择到论文的完成， 刘老师都给予我最大的支持和耐心的指导，为我指点迷津，帮我开拓思路，精 心点拨、热忱鼓励。在此，谨向刘老师致以最诚挚的谢意和崇高的敬意! 感谢杨平教授、严仁军教授在百忙之中抽出时间审阅我的论文并提出了十 分宝贵的意见，让我受益匪浅! 感谢船海系的各位老师在我研究生就读期间给予我的教育和帮助! 感谢廖显庭、潘甜、徐峰、陈强、文艳、黄路、肖红文、覃乐红等实验室 的兄弟姐妹们在学习上给予的帮助以及在生活中给我带来的快乐。这一切都将 成为我人生中最美好的回忆! 作者的成长离不开父母多年的辛勤培育、耐心教导和默默关怀，感谢他们 给予我最无私的爱。 武汉理工大学硕士学位论文 参考文献 石立森论货物绑扎确保航行安全【a 】船舶大风浪中操纵( 上册) 【c 】，2 0 0 6 孙丽娜大型构件海上运输安全性分析【d 】大连理工大学，2 0 0 6 代亮，庄毅，杨波航运货物单元系固安全的研究现状【a 】船舶航泊安全的新经验新技术 论文集( 下册) c 1 ，2 0 0 7 范育军货物单元系固方案校核方法的运用【j 】世界海运，2 0 0 4 ，( 0 4 ) 邱文昌， 安呜对多种方法确定的海船加速度值的比较研究【j 】航海技术，2 0 0 6 ，( 0 1 ) 叶章云重大件货物吊装及积载的计算机辅助设计研究【d 】大连海事大学，2 0 0 2 沈华重大件货物刚性系吲中的外力计算阴中国航海，2 0 0 0 ，( 0 2 ) 徐邦祯，潘正仁一起重大件作业导致船舶翻沉事故应吸取的教i ) l l j 天津航海， 1 9 9 7 ，( 0 4 ) 【9 】中国船级社货物系同手册编制指南| 匕京：人民交通出版社，1 9 9 8 【l o 】王有军重大件货物海上运输剐性系矧校核方法探