矿砂船货物载荷的规范要求研究

矿砂船货物载荷的规范要求研究
矿砂船不同于我厂建造的其它船舶，它最大特点是货舱中的矿砂货物密度很大，货舱始终处于装不满的状态，货舱的上半部分结构根本就接触不到矿砂，而下半部分结构则需要承受相当大的货物压力载荷。

在结构分析中却需要全面考察各部位的结构。

因此结构分析中将货物载荷模拟为两种形式：1）规范计算使用的货物载荷-模拟满舱；2）有限元分析使用的货物载荷-模拟满舱和重货状态。

本文结合30万吨矿砂船来研究DNV规范对矿砂船货物载荷的要求。

1.规范计算的矿砂货物载荷
规范分析的矿砂货物载荷计算的是矿砂的匀质装载密度的，即货舱的装载质量除以货舱的最大舱容（计算到舱口围的上表面）。

矿砂船的货物密度载荷在DNV 规范的Pt.5 Ch.2 Sec.5 B100中规定。

For Ore Carrier
ρ= M FULL / V (t/m3)
V = VH for calculation of cargo bulkhead structures, plates and stiffeners.
= VHR for calculation of hold girder structure other than cargo bulkheads
V HR = bulk carrier hold volume below a level 0.3 H + 0.14 bf within 60% of the middle width/length of the hold, and linearly reduced to a level 0.3 H at hold sides and to 0.3H + 0.07 bf at transverse bulkheads
= ore carrier hold volume below a level 0.4 H + 0.2 bf within the 60% of the middle width of the hold, and linearly reduced to 0.4 H at the hold sides
H = height of hold in m from inner bottom to top of coaming
bf = breadth of hold in m at level 0.3 H (0.4 H for ore carriers) above inner bottom at hold midlength.
作用在结构上的载荷是根据规范如上规定的矿砂匀质装载密度以及载荷作用点的高度来换算的，在规范的Pt.3 Ch.1 Sec.4 C400中规定如下：
403 The pressure from bulk cargoes on sloping and vertical sides and bulkheads shall be taken as:
p = ρ(g0 + 0.5 av) K h c (kN/m2)
K = sin2αtan2 (45 – 0.5δ) + cos2α
α= angle between panel in question and the horizontal plane in degrees
a v = as given in B600
δ= angle of repose of cargo in degrees, not to be taken greater than 20 degrees for light bulk cargo (grain etc.), and not greater than 35 degrees for heavy bulk cargo (ore)
h c= vertical distance in m from the load point to the highest point of the hold including hatchway in general. For sloping and vertical sides and bulkheads, hc may be measured to deck level only, unless the hatch coaming is in line with or close to the panel considered.
在计算矿砂压力时，与液体压力不同的是矿砂货物由于有内部摩擦的影响，矿砂对水平结构、垂向结构以及斜壳板结构是不同的，通过系数K来控制。

2. 有限元分析的矿砂货物载荷
有限元分析中的重货工况下，用到的矿砂货物载荷与规范计算不同，它是根据货舱的形状来模拟货物实际的堆型来计算密度的。

如下图2是是根据DNV 船级社的指导文件NOTES No. 31.1模拟30万吨矿砂船的模拟形式。

图1 DNV 船级社的货物堆模拟形式
图2 DNV 规范模拟的30万吨矿砂船的模拟形式
DNV 规范对有限元分析用的货物压力载荷同上述规范计算，只是式中的密度和载荷点高度根据图3中相应的ρ和h c 替换即可。

在有限元分析中，纵舱壁斜壁以及横舱壁下壁墩斜板上需要增加一个剪力，以获得正确的向下载荷，Note 31.1中规定如下：
Shear load: A design shear load, ps, has been added in order to obtain the correct total downward force in way of sloping elements i.e. transverse bulkhead stools and hopper tank construction, corresponding to the cargo mass, The shear load, ps acting on sloping parts of bulkheads is to be taken as:
α
ρtan )1()5.0(0c v S h K a g P -+=(kN/m2)
图3 斜板上的剪力
对于有限元分析的模拟满舱工况（考察纵舱壁以及横舱壁结构），在DNV指导文件NOTES No. 31.1中规定了不同部位的计算点高度，即在舱口向下10度以外的区域，h c可以不必取到舱口围的上表面，此时的货物密度与规范校核相同。

图4 模拟满舱工况的侧向压力载荷点
3.确定矿砂船货物载荷需要注意事项
矿砂分为粉矿、块矿、球团矿、烧结矿等几种形式。

它们的密度差异对船的要求主要是装卸货过程控制和清舱方面，对于结构设计而言没有区别。

结构设计的密度载荷仅是根据上述规范要求（与船籍符号有关），用相应货舱的最大装载质量除以相应的舱容得到。

确定货物载荷除了规范要求以外，还应结合说明书以及船东从使用方便的要求来确定一定的余量。

下表是我厂30万吨矿砂船与参考矿砂船的结构设计余量对比情况。

具有一定结构设计余量的矿砂船，除了结构更加安全以外，还能极大的方便装卸货过程。

这一点从CURGO MASS CURVE可以明显的体现出来。

在给定的吃水以及总纵强度允许的条件下，有适当的设计余量的货舱的最大和最小装载之间的面积更大，即允许一次性装载的货物质量比较大，并且可调范围更宽。

船东一般希望能有一定的设计余量以方便使用，因此确定矿砂密度时还需要与船东沟通确认。

图5 30万吨矿砂船的规范要求MASS CURVE
图6 30万吨矿砂船NO.3货舱的MASS CURVE
4.结论
对于矿砂船而言，货物的载荷确定比较复杂。

上述是30万吨矿砂船货物载荷的计算方法，分为规范校核载荷、有限元分析重货工况的载荷以及有限元分析的模拟满舱载荷。

对于有隔舱装载、MP符号、BC-A符号、BC-B*等符号的矿砂船，货舱的装载质量要求更复杂，对应的货物密度载荷也更多一些。

这一部分的规范要求均在规范的Pt.5 Ch.2 Sec.5以及NOTES No. 31.1中明确要求。