摘要:半潛船在船體結構、船體形狀和裝卸方式上存在諸多特殊性,在風浪中航行的安全性尤其重要。本文分別從船舶在波浪中的穩(wěn)性理論、大幅橫搖運動計算、傾覆概率預報、安全性模糊評價四方面歸納、分析了半潛船航行安全性研究的方法,為進一步深入研究和制定半潛船穩(wěn)性規(guī)范提供借鑒。
關鍵詞:半潛船 波浪中穩(wěn)性 傾覆概率預報 模糊評價
半潛船(Semi-submersible ship)也常常被稱之為“浮裝”船或“浮裝浮卸”船,這種船的明顯特點是在船首領航員艙和機艙(上層建筑)之間設有既長又低且承重能力強、平展的甲板,并設有大容量的壓載水艙。壓載水艙充水后,可以使船舶主甲板沉入水面之下,以便于石油鉆井平臺、其他船舶或其他運輸對象漂浮移動到半潛船的甲板上方。排除船艙內的壓載水,使船浮起,甲板露出水面,經過固定綁扎所裝運的特重大件后即可航行運輸。船舶載貨后,一般重心較高、穩(wěn)性較差,需對穩(wěn)性進行準確核算。航行于海上的半潛船由于受風浪影響,穩(wěn)性會比靜水航行狀態(tài)降低,易產生較大的橫搖,這對半潛船航行安全以及所載運特重大件的綁扎加固產生重大影響,因此研究半潛船在風浪中航行的安全性有著重要的現實意義。然而,由于半潛船風浪中航行安全性涉及環(huán)境條件、船舶技術條件和操作要素等許多要素,故而這方面的研究相當復雜。至今還沒有形成一個能夠綜合考慮船型特點、環(huán)境條件和傾覆機理等相關因素的理論上成熟的穩(wěn)性衡準規(guī)范?;诖?,下文試圖歸納、分析、探索半潛船風浪中航行安全性評估方法。
波浪中的穩(wěn)性
船舶穩(wěn)性主要是指船舶在靜水中的穩(wěn)性,波浪的影響只是間接地考慮,并基于這種考慮而提高對船舶在靜水中的穩(wěn)性要求。但是,很多船舶傾覆事故的記錄分析表明:在隨浪或尾斜浪中,船舶受到不大的風有時也會發(fā)生傾覆。這一現象對于受風面積很大的半潛船而言特別重要,它涉及到船舶在波浪中的運動和安全性問題。
船舶作為一個剛體在波浪中受到擾動后,將產生六個自由度的搖蕩運動。影響給定裝載情況下的船舶GZ曲線形狀的主要因素是船舶在波浪中的垂蕩運動。當船舶在橫浪中作橫搖運動時,垂蕩的耦合作用很弱;當船舶隨浪作橫搖運動時,橫搖和垂蕩的耦合作用較大,故船舶隨浪航行對GZ曲線典型形狀產生影響。如果隨浪航行時波速接近船速,且波長接近船長,那么將產生兩種極端情況:①波峰在船中部。②波谷在船中部。
當波峰在船中部時,船舶穩(wěn)性比靜水中的穩(wěn)性降低;當波谷在船中時,船舶穩(wěn)性比在靜水中的提高。純穩(wěn)性損失是造成船舶傾覆的主要原因之一。因此,研究半潛船風浪中航行的安全性和穩(wěn)性規(guī)范,應該考慮波浪對船舶穩(wěn)性影響。此外,半潛船遭遇大風浪大角度橫搖時,由于其結構的特殊性,會出現主甲板裝載貨物部分結構入水的情況。貨物部分結構入水,也將對穩(wěn)性曲線的形狀產生重大影響。
多年來,船舶在波浪中的穩(wěn)性研究方面取得的理論研究成果,可以引入到半潛船航行安全性的研究中,并提出衡量半潛船波浪穩(wěn)性的3點建議:①半潛船在波浪中的初穩(wěn)性高必須考慮垂蕩耦合運動的修正。②校核半潛船穩(wěn)性時,充分考慮船舶隨浪航行狀態(tài)下波長接近船長時,且波峰在船中這一狀態(tài)對船舶穩(wěn)性曲線的影響。③校核半潛船穩(wěn)性時,充分考慮貨物入水對船舶穩(wěn)性曲線的影響。
船舶的橫搖
現行的穩(wěn)性衡準是以確定性的力學分析理論對初穩(wěn)性高度及靜穩(wěn)性曲線的某些靜態(tài)特性作一些限制,其在船舶傾覆的動態(tài)特性上的不足是很明顯的。
通過對橫搖運動的研究,可以確定船舶傾覆的條件。在這方面最早作出貢獻的是Euler,Froude和Krylov等人。Euler提出了靜水中不計阻尼的船舶橫搖運動方程式。Froude推導出了規(guī)則橫浪上船舶橫搖運動方程式。Krylov提出了著名的Froude-Krylov(傅汝德—克雷洛夫)假設。這個假設認為:船體表面水壓力分布不受船舶運動的影響,浮力近似于在不受擾動的波浪中的值。Krylov在這一假設的基礎上進一步發(fā)展了橫搖運動理論。隨著對波浪中航行狀態(tài)下船舶穩(wěn)性的研究,船舶橫搖運動方程也得到了進一步的研究。徐德嘉和周慶根研究了非線性的單自由度橫搖模型,利用Taylor級數展開和橫搖激振試驗方法確定了非線性橫搖精確模型。林焰、紀卓尚從船舶穩(wěn)定性角度出發(fā),研究了船舶在波浪中的橫搖運動,建立了單自由度的非線性橫搖運動方程。Hua Jianbo計算了規(guī)則波和不規(guī)則波中巡洋艦的橫搖運動性能,著重闡述了大幅橫搖運動問題。
國內外這方面的研究成果很多。問題主要是不同的研究者在其非線性方程中采用了各自認為合適的非線性阻尼和恢復力系數,相互之間存在很大差別。因此正確選取阻尼和恢復力必須引起足夠的重視。在研究半潛船的航行安全性時,可以借鑒其中比較成熟的理論,利用多種方法計算出半潛船的橫搖振幅,取其中最大者作為衡量穩(wěn)性的橫傾角,然后再確定最小傾覆力臂等穩(wěn)性要素。特別是利用計算機進行數值模擬,應該可以取得令人滿意的結果。
船舶非線性橫搖的研究已經取得很多成果,對于半潛船的橫搖問題可以借鑒這些成果來幫助解決問題??蓪Π霛摯瑱M搖問題的提出的兩點建議:①在非線性大幅橫搖的性態(tài)下研究半潛船的橫搖運動,應把風浪中穩(wěn)性損失結合進去,從而考慮實時的扶正力矩的影響。②共振狀態(tài)的橫搖運動是導致半潛船傾覆的重要因素。目前以共振狀態(tài)的方程系數值作為研究的出發(fā)點基本可行。但非線性大幅橫搖運動是時間過程,其描述方程的系數是隨時間變化的,理應考慮完全的時域方程。建議如海洋工程那樣,用卷積方法建立完全時域方程進行時域分析。
隨機波浪中的傾覆概率預報
在利用確定性方法研究非線性橫搖導致傾覆的機理方面,已取得了長足的進展。但在風浪中船舶的傾覆問題是—個復雜的問題。除非線性外,還具有隨機性。由于在實際的海洋環(huán)境中存在大量的隨機因素:不規(guī)則的波浪和風,船舶與風和浪相應的速度和方向,以及貨物移動等。因此,它是典型的隨機事件,因而概率統(tǒng)計方法被引進了船舶運動及其傾覆的研究。
進行船舶傾覆概率預報,最常用的便是譜分析法。20世紀70年代初,英、美、荷、德等國海洋學者通過“北海聯合計劃”測得的波浪譜——Jonswap譜,國際船模試驗水池會議(ITTC)推薦的波浪譜——P-M波譜,以及文氏風浪譜等。我國海洋學家文圣常教授等人從海浪的基礎理論出發(fā),參考最新科研成果,提出以峰度因子作為海浪成長狀態(tài)參量的理論風浪頻譜。然后推導船舶橫搖運動微分方程并將其等效線性化,從而用譜分析法進行統(tǒng)計計算。用迭代法解等效線性化方程可以得到線性化橫搖響應幅值算子,繼而求得非線性橫搖的譜密度和非線性橫搖的方差。在確定風浪譜的基礎上,再用某種概率密度函數來表示橫搖極值的分布(一般設橫搖服從高斯分布)。在不穩(wěn)定區(qū)域內對船舶橫搖極值進行積分,便可得到每次橫搖的傾覆概率。
給出一個在隨機橫浪和非定常風的聯合作用下半潛船傾覆概率的實用計算方法,是研究半潛船波浪中安全性的很好的思路。但是這種方法也存在缺陷,即只適用于阻尼為線性項的情形。對大幅橫搖,不僅阻尼項包含非線性,而且特別強非線性出現在扶正力矩項上。這時即使擾動是穩(wěn)態(tài)的、各態(tài)歷經的,輸出也不一定是穩(wěn)態(tài)的、各態(tài)歷經的,無法簡單地推廣譜分析方法對大幅非線性橫搖進行預報。
大幅橫搖運動理論是非線性條件下,建立在線性迭加原則基礎上的譜分析方法,現有繞開平穩(wěn)各態(tài)歷經假設的作法過于繁雜困難,建議開展這方面的基礎研究,建立一個隨機非線性系統(tǒng)的理論。同時建議從隨機風浪環(huán)境出發(fā),發(fā)展包括非線性擾動的隨機分析方法,建立具有一定工程準確度的大幅橫搖導致傾覆的概率預報模型。
采用模糊數學方法進行綜合評估
海上交通工程學認為,交通系統(tǒng)是由人—船(機)—環(huán)境三要素組成的,三要素中某一個或任意兩個或三個相互作用出現問題,就可能導致交通事故。半潛船在海上航行時,其安全性涉及到眾多的因素。這些因素構成了一個系統(tǒng),即半潛船航行系統(tǒng)。系統(tǒng)安全評價,是對系統(tǒng)存在的危險性進行定性和定量分析,得出系統(tǒng)發(fā)生危險的可能性及其程度的評價,以尋求最低事故率,最小的損失和最優(yōu)的安全投資的效果。
這種研究方法,一般是先分析評價因素,確定評價指標,然后再建立評價模型,關鍵是評價因素的分析和評價指標權重的獲取以及評價結果隸屬度的確定。對于半潛船,宜采用預先安全性分析的方法,分析半潛船在航行時的潛在危險因素和產生危險的程度,確定出影響安全的主要決定因素,建立二級模糊綜合評判模型。從安全角度進行綜合評價,具有較強的實際意義,基本符合半潛船在海上航行安全評估的實際需要。
前文中討論的艉斜浪中船舶安全性評估的研究也可以應用模糊數學方法,依據船模傾覆試驗的結果,形成引起船舶傾覆主要危險因素帶來的危險程度的隸屬函數,建立艉斜浪中操船航行發(fā)生傾覆危險的評估模型,對船舶的安全操縱和航行具有積極的指導意義。
采用模糊評估方法進行半潛船風浪中航行安全性的分析和評價是可行的,但采用這種方法評估結果的可信度取決于各項評價指標權重選取的合理性和隸屬函數的合理性及其精確程度。進一步完善這種評價模型并開發(fā)安全評價的應用軟件很有發(fā)展前景。