3 船舶集裝箱受風浪影響時的受力分析
當船舶受到風浪產生橫搖時,一切物體都隨著橫搖。當巨浪和船體相撞時,船舶發生前後震動,物體也會隨著震動,當船舶前後顛簸時,物體也處於顛簸狀態之中。人員暈船是參與船舶運動的結果,貨物、物體移動也是參與船舶運動的結果。複雜、無規律的風浪中的運動在一定的條件下就會對船舶乃至船上的物體產生破壞作用。
船舶在大風浪中航行時是複雜的三維運動狀態。船舶運動分為沿三個坐標軸的運動和繞三個坐標軸的轉動。船舶在大風浪中的運動直觀表現為“上下運動,前後顛簸,左右搖動”。橫搖,縱搖、垂蕩和艏搖都會影響船舶操縱特性。
船舶橫搖存在物理擺幅和橫搖周期,當橫搖與波浪周期一致,會有諧搖。諧搖造成船舶急劇橫搖,船上物體即使固定也會掙脫“枷鎖”而產生物體位移,位移的物體會改變船舶穩性。穩性失去將最終導致船舶傾覆。
海員可以通過改變船舶操縱方式來預防諧搖。最常規的做法是改變船速和航向來減小或消除、破壞諧搖條件。
橫浪會使船舶產生急劇大幅度傾斜;頂浪會使船舶產生縱搖並。
當船艏在風口浪尖上時被高高抬起發生垂蕩,發生嚴重的前後顛簸,船舶形成自由落體,風浪就會和船底發生拍擊,船舶結構就會發生應力變化,進一步會發生變形、裂開等後果。
風浪與船艏正麵撞擊,在強大阻尼下就會產生船速突然急劇下降,船艏鋼板受到正麵擠壓,鋼板內部存在壓力,釋放壓力船舶就發生像篩子樣的前後運動——震動。
船舶在大風浪中發生船體短時間剛性變形但不會影響結構。船舶上物體參與運動,運動中會與原始狀態不符合而錯位,錯位發生就會導致甲板上的物體位移,位移會發生物體傾斜,嚴重的會發生倒坍。因此船長必須想盡辦法避免這些在大風浪中產生的有害運動。
在實踐觀察中大型集裝箱船舶在大風浪中的現象,基本與上述情況相吻合。由於大型集裝箱船舶的結構和長度,船舶在大風浪中的這些運動更為明顯。
我們從船舶在大風浪運動現狀中了解發現船舶發生顛簸、左右扭動時,集裝箱也在扭動,集裝箱和船體連接的綁紮杆、連接花籃螺絲的綁紮材料內部應力也隨之發生了左右拉伸和收縮變化;當船舶發生上下劇烈震動時,綁紮杆和連接花籃螺絲內部應力又受到了上下拉伸和收縮變化,兩種拉伸和收縮變化受力方向不一致。
我們可以將此狀況想象為一根手中的鐵絲,不斷地在一個點受到扭曲,過後不久,發熱、變軟,隨之斷裂了。同樣,大風浪中扭動和震動交替變化中,綁紮杆和花籃螺絲內部應力產生了材料疲勞,外部現象就是綁紮杆和花籃螺絲出現了鬆動而脫落,材料疲勞過度後綁紮杆和花籃螺絲斷裂。綁紮斷裂了,集裝箱的係固平衡破壞了,墜箱在一定的搖擺幅度下發生了。根據該輪的係固手冊,一般綁紮屬具在22.5°時是破斷極端數值。但並不一定在這個狀態就一定產生綁紮屬具的破壞,而是概率增大了。所以船長在大風浪中操縱應該盡量避開這個搖擺幅度,船長操縱船舶還得避開甲板前部嚴重上浪。
再議論一下船舶震動,當船舶頂浪阻尼後,船體縱向前後會抖動,船速迅速減到10~11節。因為船體鋼板的彈性造成拍擊力的改向,船艏開始左右扭動,上下顛簸。扭動點大概在第二貨艙後部,船體變成了一根巨大的彈簧了。可見風浪對船體作用的力量絕對是未見者不信。可以想象如果船舶在大風浪中高速前進,作用力和反作用力的能量將足以損壞堅實的船體鋼板。如果沒有彈性鋼板的特性,扭動會傷害船體。
一般情況下,當船舶受到大風浪後就會出現自然減速,像5 600箱位集裝箱船舶的主機都有負荷設定,因此,自然減速保護了主機和船體。如果船體在主機負荷下還能發出強大的功率對抗大風浪,結果是船體損壞,而海水落入大海後自然愈合了,毫發無損,我們不能跟大自然強行抗衡,隻能借力而發,避其鋒芒而保安全。
那怎麼辦才能減少拍浪頻率?
在船舶質量固定不變的情況下,隻能改變船速,這樣才能大幅度減少因為作用力和反作用力產生的有害動能對船體的破壞。所以,建議在遇到正麵大風浪、船舶上下顛簸幅度較大、拍浪嚴重的情況下,以維持把定航向的速度即可,以達到減少風浪對船體結構的衝擊。船長們切記減速、改向!是唯一對抗強大風浪的良策。其他沒有辦法!減速應該掌握能夠維持船舶航向的最低速度,不能停車,否則打橫,更加危險。
某船長大風浪操縱極有參考價值:集裝箱和船舶連接件扭鎖在船舶發生扭動和震動時也會發生變化,當一個巨浪打到甲板衝擊集裝箱外,大量的海水還有浮力,把集裝箱微微提升,最下層的底鎖失去重力後,開鎖手柄又在強大海水力量下變換了方向,自動開鎖,失去了底鎖的作用,將船體和集裝箱固定作用徹底消除了。由此,在大風浪中扭動、震動和搖動的共同作用下,綁紮杆和花籃螺絲就被破壞了。這樣,堆裝在甲板上的集裝箱完全自由了。如果此時船舶沒有發生左右搖擺,這些集裝箱就像堆裝在碼頭堆場上一樣還能維持著平衡,集裝箱絕不可能墜入大海。
而恰恰是綜合因素同時具備了造成集裝箱墜海的墜落條件: