本研究题为《大规模浮式煤炭堆场弹性行为的基础研究》(fundamental study on elastic behavior of large-scale floating coal stockyard)。论文由Hiroaki Eto、Chiaki Sato、Koichi Masuda、Tomoki Ikoma、Tomoyuki Kishida、Mitsuru Kubota共同完成，所有作者均来自日本千叶的日本大学(Nihon University)。该论文发表于美国机械工程师学会(ASME)举办的第三十五届国际海洋、离岸与极地工程会议(OMAE2016)，会议于2016年6月19日至24日在韩国釜山举行，收录的会议论文集即为其发表媒介，论文编号为OMAE2016-54958。
研究的学术背景与目标 本研究隶属于海洋工程，具体是大型浮式结构物设计与水弹性力学分析领域。其核心背景是日本能源供应的现实需求与印度尼西亚煤炭出口物流瓶颈之间的矛盾。日本进口的煤炭超过90%，其中约80%来自澳大利亚和印尼。印尼作为亚太地区主要煤炭供应国及日本第二大煤炭进口来源国，其煤炭运输稳定性对日本能源安全至关重要。然而，印尼东加里曼丹马克汉姆河河口海域水深过浅，大型散货船无法直接靠泊沿岸港口，只能依赖驳船在内河港口与停泊在深水区的大船之间进行转运。这种运输方式效率低下，受天气影响大，完成一次大船装载需要驳船往返约十次，耗时约一周，严重制约了物流效率。
基于此背景，论文提出了一种创新的解决方案——大规模浮式煤炭堆场（Large-scale Floating Coal Stockyard, LFCS）。LFCS本质上是一个设计用于海上作业的巨型浮式煤炭中转储存基地，具备装载、储存和卸载煤炭的功能。将其部署在加里曼丹岛近海，可作为驳船与大型散货船之间的中继站，有望显著提升该区域的煤炭运输效率。与传统的陆基或近岸码头相比，LFCS具有开发成本相对较低、不受海底地震直接影响、对海洋环境和水流影响小、易于移动、改造或拆除等诸多潜在优势。
然而，此类因煤炭装载状态不同而导致排水量差异极大的超大型浮式结构物的设计尚无先例，构成了一个重要的基础设计课题。因此，本研究的核心目标有两个：一是提出一个初步的LFCS设计方案；二是系统研究不同煤炭装载条件（导致质量分布和局部刚度变化）对该结构物的变形、内部应力分布以及其在波浪作用下的动态水弹性响应的影响，为后续的工程设计与安全评估奠定理论基础。
详细研究流程与方法 本研究主要分为两大部分流程：第一部分是LFCS在静力条件下的稳定性和应力分析；第二部分是LFCS在波浪作用下的水弹性响应分析。研究大量采用了基于有限元法(FEM)的数值模拟。
第一部分：静力分析与结构设计 * 1. LFCS概念设计与模型简化：研究首先提出了一个具体的设计方案。该LFCS设计总储存容量为50万吨，相当于五艘大型散货船的载货量。其平面尺寸为长590米，宽160米，结构高度15米。结构主体为平面形状，内部由舱壁分隔成多个储煤舱（见文中图3和表1）。为了进行高效的弹性分析，研究将复杂的真实结构（包含双层底、不同宽度的舱壁、加强筋等）简化为一个“弹性等效板”模型。这是本研究方法上的关键一步。具体而言，研究人员将结构划分为三种典型构件：10米宽内舱壁(BH1)、20米宽外舱壁(BH2)以及双层底(DB)，分别计算了它们单位宽度的等效抗弯刚度，进而推导出各自的等效杨氏模量（见表2）。最终，整个LFCS被建模为一个厚度为5米、但具有非均匀材料属性（对应不同区域的等效模量和质量密度）的平板。这种建模方式在保证计算精度的前提下，极大地提高了后续有限元分析的效率。 * 2. 制定多种煤炭装载工况：为了研究质量分布的影响，论文定义了六种典型的煤炭装载模式（Case 1-6），如图5所示。包括：空载(Case 1)、满载(Case 2)、两端装载(Case 3)、中心装载(Case 4)、一端装载(Case 5)和棋盘式交替装载(Case 6)。这六种工况涵盖了从均匀到极端不均匀的各种载荷分布情况。 * 3. 稳定性与应力分析：使用基于有限元法的自研计算机程序（引用自作者1997年的工作）对上述六种工况进行分析。分析中考虑了两种主要载荷：(1)作用在双层底上的垂直均布载荷（煤炭重量）；(2)作用在舱壁上的水平载荷，该载荷采用库仑土压力公式计算，其中煤炭的内摩擦角取为30度。分析主要输出两个关键结果：结构的垂直位移（变形）和主应力分布。 * 4. 舱段精细化应力分析：在整体分析的基础上，为进一步考察局部受力，研究选取了一个典型货舱进行了更精细化的三维有限元分析。在此分析中，更真实地考虑了舱壁和底部的具体结构形式，以评估在煤炭垂直压力和水平侧压力共同作用下，舱段内部（特别是双层底和舱壁连接处）的应力集中情况。
第二部分：波浪响应分析 * 1. 水弹性运动方程建立：研究进一步分析了LFCS在波浪中的动力响应。将LFCS视为一个弹性体，其水弹性运动方程通过结合结构动力学（有限元模型描述）和流体动力学建立。波浪激励力和辐射力采用基于线性势流理论的格林函数法进行计算。 * 2. 波浪条件与计算工况：波浪响应分析在频域内进行。设定的波浪条件为：水深55米，波浪入射角为180度（即垂直于结构长边入射），波长与结构长度比(λ/L)在0.2到1.0之间变化（对应波长为118米至590米）。分析选取了前四种装载工况（Case 1空载， Case 2满载， Case 3两端装载， Case 4中心装载）进行计算，各工况的吃水深度采用静力分析中得到的平均垂直位移值。 * 3. 响应结果提取：主要关注在单位波高波浪作用下，结构在迎浪侧边缘的最大垂直位移响应，并以无量纲形式（位移响应幅值算子RAO）呈现。
主要研究结果 第一部分结果（静力分析）： * 抗沉性：在所有六种装载工况下，LFCS的最大垂直位移发生在满载工况(Case 2)，为6.82米。由于LFCS的结构高度为15米，此位移未导致结构被淹没，证明其在设计容量内具备抗沉性。 * 变形特性：结构变形呈现明显的“弹性”行为。在载荷不均匀的工况（Case 3-5）下，变形并不均匀，最大位移出现在重载区域。相比之下，总载荷相同但分布均匀的棋盘式装载(Case 6)，其最大位移（4.09米）小于非均匀装载工况。这表明均匀装载有利于减小整体变形。 * 应力分析：主应力值随装载量增加而增大。空载(Case 1)和满载(Case 2)的最大主应力分别为27.04 N/mm²和155.41 N/mm²，均低于所用钢材SS400的长期许用应力(156.66 N/mm²)。然而，在不均匀装载工况（Case 3和Case 4）下，局部舱壁顶部的应力超过了许用应力，且垂直变形很大（超过5米）。值得注意的是，即使总载货量相同，均匀装载的Case 6的应力（132.49 N/mm²）也远小于非均匀装载的Case 3-5。这清晰地表明，装载方式对结构局部应力有决定性影响。 * 舱段分析结果：精细化分析显示，在单个货舱内，最大应力（22.0 N/mm²）出现在双层底的中心区域，此处弯曲应力占主导。而在舱壁与底部的连接处，剪力效应显著。总体来看，双层底承受的应力比舱壁更大，这提示在结构优化时，应优先考虑加强双层底。
第二部分结果（波浪响应分析）： * 响应幅值：波浪响应分析结果（见图8）显示，在短波范围（λ/L较小，如0.2），不同装载工况的响应差异明显。其中，中心装载工况(Case 4)产生了最大的位移响应，甚至超过了总载荷更大的满载工况(Case 2)和总载荷相同的两端装载工况(Case 3)。这一结果出乎意料，凸显了质量分布对动力响应的复杂影响，不能仅凭总质量判断。 * 响应形态：空载(Case 1)和满载(Case 2)的响应形态图（图9, 10）对比表明，增加结构质量（装载煤炭）会降低结构的弹性波长，即使其固有振动特性发生改变。满载时结构的整体刚度相对质量之比发生变化，导致其变形模态与空载时不同。
研究结论与价值 本研究得出以下核心结论： 1. 初步设计的LFCS在多种极端装载工况下均满足抗沉性要求。 2. 煤炭的装载分布模式对结构的静力性能（变形和应力）有极大影响。均匀装载（如棋盘式）能有效改善稳定性并降低最大主应力，而非均匀集中装载可能导致局部应力超标和过大变形，这是在操作中必须严格注意的。 3. 在波浪中，结构的动力响应同样强烈依赖于装载分布。中心集中装载可能引发最不利的波浪响应，这为确定安全作业工况提供了关键依据。 4. 增加结构质量会改变其水弹性振动特性，需要在设计中予以考虑。
本研究的科学价值在于，首次系统地对一种新型超大型浮式仓储结构进行了从静力到动力的全链条弹性力学分析，建立了一套针对此类具有非均匀质量/刚度分布特性的浮式结构物的分析流程和方法（特别是弹性等效板建模与多种载荷工况结合的分析框架）。其应用价值直接服务于解决印尼至日本煤炭运输链的关键瓶颈问题，为LFCS的工程可行性论证和后续详细设计提供了不可或缺的理论基础和数据支撑。研究指出的“装载工况控制”是关键安全因素这一观点，对未来实际运营具有重要指导意义。
研究亮点 1. 研究对象的创新性：首次针对用于煤炭中转的“大规模浮式堆场”（LFCS）这一全新工程概念开展深入的学术研究，选题具有鲜明的工程前沿性和应用针对性。 2. 分析方法的系统性：研究涵盖了从结构概念设计、等效简化建模、多种静力装载工况分析，到波浪水弹性响应分析的完整流程，体现了对复杂工程问题研究的系统性和严谨性。 3. 关键发现的启发性：研究揭示了对于此类平面型浮式结构，载荷的质量分布模式（而不仅仅是总质量）对其静动力性能均具有决定性影响。特别是“中心装载”可能产生最不利波浪响应这一发现，超出了常规直觉，对安全评估至关重要。 4. 跨学科方法的应用：成功地将结构力学（有限元）、土压力理论（煤炭侧压）、流体力学（势流理论）和水弹性力学结合起来，解决了实际工程中的复杂耦合问题。
其他有价值的内容 论文最后提出了未来工作的方向，包括：为LFCS在加里曼丹近海选择合适的实际安装位置，并利用当地真实的海浪数据（波高、周期）进行更精确的响应分析；进一步评估结构在波浪冲击下的安全性；以及确定适合该海域的系泊方式。这些内容指出了本研究向工程实践迈进所需解决的下游问题。