Excel在挖砂船穩(wěn)性衡準(zhǔn)計(jì)算中的運(yùn)用

，

(1.貴港船舶檢驗(yàn)局,廣西 貴港 537100；2.武漢理工大學(xué) 交通學(xué)院，武漢 430063；3.集美大學(xué) 輪機(jī)工程學(xué)院，福建 廈門(mén) 361021)

為了加強(qiáng)對(duì)內(nèi)河無(wú)證挖砂、運(yùn)砂船的檢驗(yàn)管理，2009年廣西交通廳頒布了《廣西鋼質(zhì)內(nèi)河挖砂/運(yùn)砂船舶檢驗(yàn)暫行規(guī)定》[1](以下簡(jiǎn)稱《暫行規(guī)定》)，該規(guī)定適用范圍是2008年9月11日以前建造或改建完工，但未申請(qǐng)船舶檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)檢驗(yàn)的鋼質(zhì)內(nèi)河B、C級(jí)航區(qū)航行或作業(yè)且船長(zhǎng)不大于50 m的鏈斗挖砂船、絞吸挖砂船、抓斗挖砂船和普通貨船式運(yùn)砂船。該規(guī)定根據(jù)《內(nèi)河船舶法定檢驗(yàn)技術(shù)規(guī)則》(2004)[2]及2007年、2008年《修改通報(bào)》[3-4]編輯，并采用部分代替等效措施。筆者認(rèn)為，對(duì)于滿足上述適用范圍的砂船，其完工圖紙的《穩(wěn)性計(jì)算書(shū)》除滿足《暫行規(guī)定》外，還應(yīng)滿足《內(nèi)河船舶法定檢驗(yàn)技術(shù)規(guī)則》(2004)及2007年、2008年《修改通報(bào)》中未被等效措施代替的內(nèi)容。

船檢部門(mén)在進(jìn)行船舶穩(wěn)性計(jì)算時(shí)，主要應(yīng)用中國(guó)船級(jí)社武漢規(guī)范所開(kāi)發(fā)的軟件“船舶靜力學(xué)計(jì)算及穩(wěn)性衡準(zhǔn)系統(tǒng)V4.1”。由于該系統(tǒng)的穩(wěn)性衡準(zhǔn)計(jì)算不包含《暫行規(guī)定》對(duì)砂船穩(wěn)性的要求，驗(yàn)船師根據(jù)《暫行規(guī)定》對(duì)砂船進(jìn)行審圖時(shí)，無(wú)法依靠該軟件完成砂船穩(wěn)性衡準(zhǔn)，只能手工計(jì)算審核砂船穩(wěn)性，審圖工作效率低且容易出錯(cuò)。

經(jīng)過(guò)對(duì)“船舶靜力學(xué)計(jì)算及穩(wěn)性衡準(zhǔn)系統(tǒng)V4.1”的計(jì)算輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，認(rèn)為可以利用該軟件的船舶靜力學(xué)計(jì)算結(jié)果和部分穩(wěn)性衡準(zhǔn)計(jì)算過(guò)程數(shù)據(jù)，再輔以Excel較強(qiáng)的編程功能，較好地解決砂船穩(wěn)性衡準(zhǔn)自動(dòng)化計(jì)算和審核問(wèn)題。

1 穩(wěn)性衡準(zhǔn)電子表格設(shè)計(jì)思路

將《暫行規(guī)定》以及《內(nèi)河船舶法定檢驗(yàn)技術(shù)規(guī)則》(2004版及2007年、2008年《修改通報(bào)》)相關(guān)穩(wěn)性衡準(zhǔn)公式編入Excel電子表格當(dāng)中，再運(yùn)用Excel的工作表關(guān)聯(lián)功能和計(jì)算功能，編輯出滿足《暫行規(guī)定》的穩(wěn)性衡準(zhǔn)電子計(jì)算表格。以“抓斗式挖砂船穩(wěn)性衡準(zhǔn)電子表格”(以下簡(jiǎn)稱“穩(wěn)性表格”)的編輯為例，研究探討運(yùn)用Excel進(jìn)行砂船穩(wěn)性衡準(zhǔn)計(jì)算。

船舶穩(wěn)性衡準(zhǔn)計(jì)算內(nèi)容較多[5]，若采用單工作表來(lái)編輯衡準(zhǔn)計(jì)算，則不方便打印，且操作界面冗長(zhǎng)，使用時(shí)不便于檢查錯(cuò)誤及分析計(jì)算結(jié)果，特設(shè)置多個(gè)工作表來(lái)改善功能。除編入穩(wěn)性衡準(zhǔn)計(jì)算所需的公式外，表格中還編入自動(dòng)查表和生成穩(wěn)性曲線的功能，提高了驗(yàn)船師的工作效率。

2 電子表格計(jì)算功能

功能應(yīng)有初穩(wěn)性高度計(jì)算，自由液面對(duì)初穩(wěn)性高度的修正及對(duì)復(fù)原力臂曲線的修正，動(dòng)靜穩(wěn)性曲線的數(shù)值計(jì)算，受風(fēng)面積計(jì)算及風(fēng)壓衡準(zhǔn)，極限靜傾角計(jì)算及回航衡準(zhǔn)；初穩(wěn)性高度衡準(zhǔn)。

抓斗式挖砂船的穩(wěn)性衡準(zhǔn)應(yīng)滿足《暫行規(guī)定》、《內(nèi)河船舶法定檢驗(yàn)技術(shù)規(guī)則》(2004)及2007年、2008年《修改通報(bào)》。

電子表格應(yīng)具有自動(dòng)查表、自動(dòng)判別衡準(zhǔn)數(shù)是否合格的功能，能生成有足夠精度的動(dòng)靜穩(wěn)性曲線圖。為了防止操作失誤或公式被修改，可以對(duì)該表格實(shí)行保護(hù)。

3 挖砂船穩(wěn)性衡準(zhǔn)電子表格的編制步驟

3.1 創(chuàng)建文件和對(duì)工作表的命名

創(chuàng)建新文件，將其工作簿命名為“抓斗式挖砂船穩(wěn)性衡準(zhǔn)”，對(duì)工作表做如下命名。

Sheet 1：基本數(shù)據(jù)及初穩(wěn)性高度

Sheet 2：自由液面的修正

Sheet 3：靜動(dòng)穩(wěn)性力臂值

Sheet 4：受風(fēng)面積及面積中心計(jì)算

Sheet 5：進(jìn)水角及極限靜傾角

Sheet 6：全速回航衡準(zhǔn)

Sheet 7：風(fēng)壓衡準(zhǔn)

Sheet 8：各力矩對(duì)初穩(wěn)性高度GM的衡準(zhǔn)

3.2 把所需公式輸入工作表，并做好工作表之間數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)

Excel能夠執(zhí)行計(jì)算是其最基本的功能，在某個(gè)單元格中輸入公式，關(guān)聯(lián)其它單元格進(jìn)行計(jì)算，然后在該單元格輸出結(jié)果。這個(gè)功能是構(gòu)成“穩(wěn)性表格”的基礎(chǔ)，它能把8個(gè)工作表有效關(guān)聯(lián)起來(lái)，多次調(diào)用基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，無(wú)需操作者重復(fù)輸入基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

3.3 將各工作表用填充顏色分為可變區(qū)域和不可變區(qū)域

以Sheet 1“基本數(shù)據(jù)及初穩(wěn)性高度”為例，單元格分為可變區(qū)域和不可變區(qū)域。可變區(qū)域單元格用淺綠色為填充顏色，由表格使用者填入船舶主要尺度及靜水力計(jì)算數(shù)據(jù);不可變區(qū)域單元格無(wú)填充顏色，表格使用者無(wú)需更改其數(shù)值和公式。不可變區(qū)域編入初穩(wěn)性高度計(jì)算公式、自由液面對(duì)初穩(wěn)性高度修正公式，由此計(jì)算出自由液面修正后的初穩(wěn)性高度值。

3.4 IF函數(shù)的運(yùn)用

IF函數(shù)語(yǔ)法為IF(logical-test,value-if-true,value-if-false)。

IF函數(shù)在Excel中被廣泛地運(yùn)用于循環(huán)結(jié)構(gòu)的公式中，緣于用IF函數(shù)構(gòu)成的條件語(yǔ)句，具有自動(dòng)判別、嵌套循環(huán)功能。

在穩(wěn)性衡準(zhǔn)計(jì)算中，常以衡準(zhǔn)值K是否不小于1作為穩(wěn)性是否合格的標(biāo)準(zhǔn)，抓斗式挖砂船要考慮以下衡準(zhǔn)數(shù)K的大小：極限靜傾角衡準(zhǔn)數(shù)Kj、風(fēng)壓衡準(zhǔn)數(shù)Kf、穩(wěn)性面積衡準(zhǔn)數(shù)Km、初穩(wěn)性高衡準(zhǔn)數(shù)Kg。

用IF函數(shù)賦予單元格判別衡準(zhǔn)數(shù)K是否合格的功能，單元格輸入關(guān)系式IF(K<1,不合格，合格)，則該單元格在K<1時(shí)輸出“不合格”，在K≥1時(shí)輸出“合格”。由此操作，可以直觀地看到各工作表的穩(wěn)性衡準(zhǔn)是否合格，并有利于快速分析穩(wěn)性不合格的具體原因。

3.5 賦予Sheet 2“自由液面的修正”自動(dòng)查表功能

參照文獻(xiàn)[2] 附錄II,大穩(wěn)性自由液面橫傾力矩修正值為

(1)

式中：Mθ——任一橫傾角θ的自由液面橫傾力矩，kN·m；

V——艙柜總?cè)莘e，m3；

b——艙柜最大寬度，m；

ρ——艙柜中液體密度，t/m3；

K——系數(shù)，按艙柜的b/h值和橫傾角θ由文獻(xiàn)[2]附錄II確定;

其中：l——艙柜最大長(zhǎng)度，m；

h——艙柜最大高度，m。

當(dāng)cotθ≥ (b/h)時(shí)，

K1=sinθ/12×(1+tg2θ/2)×b/h

(2)

當(dāng)cotθ<(b/h)時(shí)，

K2=cosθ/8×(1+tgθ/(b/h))-cosθ×

(1+cot2θ/2)/(12×(b/h)2)

(3)

若通過(guò)查閱文獻(xiàn)[2]附錄II表選取K值，需要頻繁使用差值法。為節(jié)約查表時(shí)間，賦予該工作表自動(dòng)查表功能，具體操作如下。

通過(guò)比較cotθ與b/h的大小，用IF函數(shù)來(lái)選擇K值，輸入關(guān)系式為

(4)

參照文獻(xiàn)[1]，

(5)

式中：Δmin——空載到港的排水量，t；

K30——對(duì)應(yīng)于橫傾角30°的無(wú)因次系數(shù)。

滿足式(5)時(shí)可不計(jì)入該液艙自由液面對(duì)復(fù)原力臂的影響。此時(shí)要對(duì)K1和K2在取值前先做一個(gè)條件判別(此為IF函數(shù)的嵌套循環(huán)功能)，才能滿足當(dāng)M30<0.01Δmin時(shí)輸出K=0，從而力矩修正值Mθ=0，不計(jì)入該液艙的修正。要滿足上式，則K值關(guān)系式應(yīng)拓展為

(6)

3.6 賦予Sheet3“靜動(dòng)穩(wěn)性力臂值”自動(dòng)生成靜動(dòng)穩(wěn)性力臂曲線功能

Sheet 3中，填入 “形狀穩(wěn)性力臂”，可計(jì)算出復(fù)原力臂值和動(dòng)穩(wěn)性力臂值。

運(yùn)用Excel的“插入圖表”功能，關(guān)聯(lián)5個(gè)載況下的復(fù)原力臂值和動(dòng)穩(wěn)性力臂值，可生成5張靜動(dòng)穩(wěn)性力臂曲線圖。為方便使用者能夠清晰地讀取曲線圖數(shù)據(jù)，需要對(duì)圖標(biāo)坐標(biāo)軸“最小刻度值”進(jìn)行調(diào)整。

根據(jù)生成的曲線，審圖人員可以從曲線中量取最小傾覆力臂、最大復(fù)原力臂、最大復(fù)原力臂對(duì)應(yīng)角、最大復(fù)原力臂對(duì)應(yīng)的動(dòng)穩(wěn)性力臂、進(jìn)水角對(duì)應(yīng)復(fù)原力臂及動(dòng)穩(wěn)性力臂、回航傾側(cè)力矩對(duì)應(yīng)的回航靜傾角，輸入Sheet 6“全速回航衡準(zhǔn)”及 Sheet 7“風(fēng)壓衡準(zhǔn)”。

3.7 Sheet 5“進(jìn)水角及極限靜傾角”計(jì)算原理及MIN函數(shù)的運(yùn)用

由“靜水力計(jì)算結(jié)果”中的進(jìn)水角曲線，量取不同載況下的進(jìn)水角，填入工作表中，然后計(jì)算出該船的極限靜傾角。參照文獻(xiàn)[2]，挖泥船在航行和避風(fēng)狀態(tài)下的極限靜傾角θr，應(yīng)為0.8倍甲板邊緣入水角、0.8倍舭部中點(diǎn)出水角或8°，取其小者。

在實(shí)際解決初穩(wěn)性問(wèn)題時(shí)，傾斜角度小于15°的船舶在等體積小角度傾斜過(guò)程中，可做如下假定：①等體積傾斜軸線通過(guò)正浮水線面的漂心O；②浮心移動(dòng)曲線是圓弧的一段，其圓心為初穩(wěn)心M，半徑為初穩(wěn)心半徑BM[6]。根據(jù)文獻(xiàn)[2]，極限靜傾角θr≤8°，滿足上述假定①，即假定船舶傾斜軸線為CL線。

甲板邊緣入水角θ1、舭部中點(diǎn)出水角θ2計(jì)算原理見(jiàn)圖1。

圖1 θ1、θ2計(jì)算原理示意

如圖1所示， 當(dāng)甲板邊緣入水時(shí)，

tanθ1=F/B/2= 2F/B→θ1=

arcton (2F/B)

(7)

同理，舭部中點(diǎn)出水角時(shí)，θ2=arcton (2d/B) 。

θ1、θ2從角度單位轉(zhuǎn)化為弧度單位

θ1=arcton (2F/B)×180/π

(8)

θ2=arcton (2d/B)×180/π

(9)

單元格插入Excel函數(shù)=MIN(0.8θ1，0.8θ2，8)，可自動(dòng)取0.8θ1，0.8θ2，8中的最小值，即為極限靜傾角θr。

3.8 工作表的保護(hù)與使用

為了防止操作失誤或公式被修改，可以對(duì)該表格實(shí)行保護(hù)。先將需要輸入數(shù)據(jù)的單元格(即可變區(qū)域)進(jìn)行解鎖設(shè)定，方法是選中該單元格，鼠標(biāo)單擊右鍵，點(diǎn)擊“設(shè)置單元格格式”、在“保護(hù)”標(biāo)簽“鎖定”項(xiàng)的復(fù)選框中取消鎖定選擇，然后在文件菜單“工具”欄中選擇“保護(hù)”之“保護(hù)工作表”，輸入密碼并確定。

使用時(shí)將所需數(shù)據(jù)輸入到可變區(qū)域中，便可立即得出結(jié)論。

4 應(yīng)用實(shí)例

“桂桂平貨7328”是一艘由干貨船改建成的抓斗式挖砂船，經(jīng)圖紙審核，通過(guò)與“桂桂平貨7328”《完整穩(wěn)性計(jì)算書(shū)》計(jì)算數(shù)據(jù)實(shí)例對(duì)比，認(rèn)證“抓斗式挖砂船穩(wěn)性衡準(zhǔn)電子表格”的準(zhǔn)確性和實(shí)用性。見(jiàn)表1。

若想進(jìn)行鏈斗挖砂船、絞吸挖砂船及普通貨船式運(yùn)砂船的穩(wěn)性衡準(zhǔn)計(jì)算，只需要修改“抓斗式挖砂船穩(wěn)性衡準(zhǔn)電子表格”中的公式或相關(guān)參數(shù)，就能得出不同類型砂船的穩(wěn)性衡準(zhǔn)計(jì)算電子表格，由于篇幅所限，不再贅述。靈活運(yùn)用Excel編制電子計(jì)算表格，能夠解決工作上的許多難題，如噸位計(jì)算、船體結(jié)構(gòu)規(guī)范計(jì)算等各種計(jì)算，提高

了驗(yàn)船師的審圖效率。編制Excel表格的方法簡(jiǎn)單、易懂，具有廣泛的適用性。

表1 “桂桂平貨7328”穩(wěn)性數(shù)據(jù)對(duì)比

[1] 廣西壯族自治區(qū)交通廳.廣西鋼質(zhì)內(nèi)河挖砂/運(yùn)砂船舶檢驗(yàn)暫行規(guī)定[S].北京：人民交通出版社，2009.

[2] 中國(guó)船級(jí)社.內(nèi)河船舶法定檢驗(yàn)技術(shù)規(guī)則(2004年)[S].北京：人民交通出版社，2004.

[3] 中國(guó)船級(jí)社.內(nèi)河船舶法定檢驗(yàn)技術(shù)規(guī)則(2007年修改通報(bào))[S].北京：人民交通出版社，2007.

[4] 中國(guó)船級(jí)社.內(nèi)河船舶法定檢驗(yàn)技術(shù)規(guī)則(2008年修改通報(bào))[S].北京：人民交通出版社，2008.

[5] 盛振邦，劉應(yīng)中.船舶原理[M].上冊(cè).上海：上海交通大學(xué)出版社,2003.

[6] 李冬琴，王 劍.基于NAPA的4 000 DWT散貨船谷物溫性計(jì)算[J].船海工程，2009，38(4)：24-27.