工程船耐波性設(shè)計(jì)綜合分析評(píng)估法

盛 慶 武

（上海佳豪船舶工程設(shè)計(jì)股份有限公司，上海 201612）

0 引 言

在工程船舶設(shè)計(jì)的各個(gè)階段，特別是方案設(shè)計(jì)階段，應(yīng)能充分將相應(yīng)的耐波性能各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)作為考核船舶設(shè)計(jì)優(yōu)劣的重要技術(shù)指標(biāo)之一，使該船設(shè)計(jì)完成后具有較高的作業(yè)率。改善耐波性能作為重要技術(shù)指標(biāo)并非會(huì)犧牲其他性能指標(biāo)，反之可以輔助優(yōu)化其他性能指標(biāo)。例如在船舶總縱強(qiáng)度的計(jì)算中，鑒于工程船很多具有超規(guī)范要求的主尺度，所以波浪彎矩和剪力往往需要通過(guò)耐波性理論直接計(jì)算，其計(jì)算結(jié)果用以指導(dǎo)船舶裝載手冊(cè)的計(jì)算和編制?；诖?，提出了工程船耐波性設(shè)計(jì)綜合分析評(píng)估法。

1 工程船耐波性設(shè)計(jì)綜合分析評(píng)估法

1.1 定義

依據(jù)工程船設(shè)計(jì)任務(wù)書和調(diào)查分析研究，通過(guò)傳統(tǒng)方法（母型船/統(tǒng)計(jì)方法/經(jīng)驗(yàn)方法）初步確定工程船主尺度的范圍。在此范圍內(nèi)選擇N個(gè)主尺度設(shè)計(jì)方案，對(duì)每個(gè)方案開展線型設(shè)計(jì)、艙室布置、特殊甲板機(jī)械布置、估算重量重心等工作，并按照相應(yīng)生活駁每個(gè)方案各裝載工況的穩(wěn)性和強(qiáng)度等基本性能指標(biāo)，通過(guò)對(duì)比分析確定M個(gè)可行的主尺度設(shè)計(jì)方案（M≤N），確定主要耐波性能影響因素和性能指標(biāo)，并通過(guò)對(duì)M個(gè)主尺度設(shè)計(jì)方案的耐波性能指標(biāo)計(jì)算和對(duì)比分析，優(yōu)選工程船最佳的主尺度方案，重新按照相應(yīng)航海公約和規(guī)范計(jì)算各典型裝載工況，并根據(jù)影響工程船主要耐波性能的因素和性能指標(biāo)選擇若干典型裝載工況計(jì)算和分析該船的耐波性能指標(biāo)，綜合評(píng)估該船的耐波性能，這種評(píng)估過(guò)程稱為工程船耐波性設(shè)計(jì)綜合分析評(píng)估法。

1.2 工程船耐波性設(shè)計(jì)綜合分析評(píng)估法框圖

圖1為工程船耐波性設(shè)計(jì)綜合分析評(píng)估法的框圖。

圖1 工程船耐波性設(shè)計(jì)綜合分析評(píng)估法的框圖

2 工程船耐波性設(shè)計(jì)綜合分析評(píng)估法應(yīng)用算例

通過(guò)2400t起重船耐波性設(shè)計(jì)算例說(shuō)明如何應(yīng)用工程船耐波性設(shè)計(jì)綜合分析評(píng)估法。本算例包括兩方面的內(nèi)容：

1) 起重船方案設(shè)計(jì)主尺度優(yōu)選；

2) 評(píng)估該船的耐波性能。

2.1 2400t起重船方案設(shè)計(jì)主尺度優(yōu)選

2.1.1 簡(jiǎn)介

2400t起重船的用途是使用非旋轉(zhuǎn)吊臂起重機(jī)作業(yè)時(shí)起吊重物，該船的調(diào)傾能力、穩(wěn)性、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度是船舶的重要性能指標(biāo)，同時(shí)為了保證該船的作業(yè)率和作業(yè)能力，該船在風(fēng)浪中的運(yùn)動(dòng)能力也是重要指標(biāo)之一。該起重船無(wú)推進(jìn)動(dòng)力裝置，其阻力性能的好壞也直接影響到其調(diào)遣的能力。因此為了優(yōu)選出適合的起重船主尺度，需要從穩(wěn)性、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、阻力和耐波性能綜合考慮。首先需要確定優(yōu)化性能指標(biāo)：穩(wěn)性指標(biāo)、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度指標(biāo)、阻力性能指標(biāo)和耐波性能運(yùn)動(dòng)指標(biāo)。

為確定本船方案設(shè)計(jì)的主要尺度，針對(duì)幾種不同的船長(zhǎng)和船寬的船舶穩(wěn)性指標(biāo)、強(qiáng)度指標(biāo)、耐波性運(yùn)動(dòng)性能指標(biāo)和阻力性能指標(biāo)做了計(jì)算和分析，優(yōu)選適合的起重船主尺度，作為最終確定的依據(jù)。

2.1.2 2400t起重船主尺度設(shè)計(jì)方案

針對(duì) 2400t起重船的特點(diǎn)，參照母型船，并根據(jù)起重船作業(yè)任務(wù)及作業(yè)海域的特點(diǎn)，確定了船長(zhǎng)95～97m，船寬39～42m。為了對(duì)比船長(zhǎng)及船寬變化對(duì)起重船穩(wěn)性、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、阻力和耐波性的影響，制定了9套起重船主尺度設(shè)計(jì)方案：船長(zhǎng)分別選95m、96m和97m 3種，船寬分別選39m、40.5m和42m。并根據(jù)母型船和該船的船舶任務(wù)確定了船體的總布置、艙室劃分和起重機(jī)等特種機(jī)械的布置，初步確定9種設(shè)計(jì)方案的船體空船重量。然后建立了9種設(shè)計(jì)方案的船體模型，并對(duì)這9個(gè)方案進(jìn)行裝載工況計(jì)算。表1為主尺度設(shè)計(jì)方案和對(duì)應(yīng)典型裝載工況計(jì)算表。

表1 2400t起重船主尺度設(shè)計(jì)方案表

為了便于分析和對(duì)比計(jì)算結(jié)果，這里對(duì)所選取的9個(gè)方案計(jì)算模型中的各計(jì)算參數(shù)做了統(tǒng)一規(guī)定：裝載工況相似，吃水均為4.3m；船舶的橫搖慣性半徑和縱搖慣性半徑按此裝載工況中沿船長(zhǎng)方向的質(zhì)量分布計(jì)算獲得；船舶的橫搖阻尼系數(shù)統(tǒng)一取為船體臨界阻尼系數(shù)的7%；重心的位置按照NAPA模型中計(jì)算的實(shí)際裝載工況中獲得。每種方案的艏部及艉部線型相似：即當(dāng)船寬不變、船長(zhǎng)變化時(shí)其艏部和艉部線型完全一致，船寬不同時(shí)，其橫剖面線型按比例放大或縮小。這樣處理的原因是可以排除艏、艉形狀對(duì)主尺度變化的影響。海浪譜采用規(guī)范規(guī)定的P-M譜。

根據(jù)船舶設(shè)計(jì)任務(wù)書的要求，起重船作業(yè)及就地抗風(fēng)海況分別是H1/3=2.50m、波浪跨零周期T=7.5s和H1/3=1.50m，波浪跨零周期T=5.5s，這樣的海況條件作為耐波性能指標(biāo)對(duì)比的波浪環(huán)境條件。

2.1.3 計(jì)算結(jié)果

表2為9種船舶主尺度方案的穩(wěn)性指標(biāo)，自由液面修正后的橫向初穩(wěn)性高及穩(wěn)性衡準(zhǔn)數(shù)。結(jié)構(gòu)強(qiáng)度指標(biāo)中，總彎矩（總彎矩取靜水彎矩和波浪彎矩疊加后的極值）和總剪力（總剪力取靜水剪力和波浪剪力疊加后的極值）。耐波性能運(yùn)動(dòng)指標(biāo)中垂蕩、橫搖及縱搖在兩種不同海況下（H1/3=1.5m、T=5.5s和H1/3=2.5m、T=7.5s）的有義值和阻力性能指標(biāo)（八級(jí)風(fēng)和8kn航速）的對(duì)照表。

從表2中的9個(gè)方案可以看出：所有方案中初穩(wěn)性高均滿足規(guī)范要求；對(duì)于氣象穩(wěn)性衡準(zhǔn)指標(biāo)，方案一、方案二、方案四和方案七的氣象穩(wěn)性衡準(zhǔn)不滿足>1的要求，將這4個(gè)方案需要去除。方案九和方案六的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度指標(biāo)和阻力指標(biāo)是9個(gè)方案中最大的兩個(gè)方案，將這兩個(gè)方案需要去除。方案八和方案五相比，方案八的穩(wěn)性指標(biāo)、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度指標(biāo)和阻力指標(biāo)比方案五略大些，耐波性運(yùn)動(dòng)指標(biāo)比較接近，但是方案八比方案五的船長(zhǎng)長(zhǎng)了1m，空船質(zhì)量重了58t（粗估），從經(jīng)濟(jì)性角度來(lái)看，船長(zhǎng)增加對(duì)造價(jià)的影響較多，將方案八應(yīng)該去除。方案五和方案三的穩(wěn)性指標(biāo)氣象穩(wěn)性衡準(zhǔn)、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度指標(biāo)、阻力指標(biāo)比較接近；從耐波性運(yùn)動(dòng)指標(biāo)來(lái)看，方案五和方案三的垂蕩運(yùn)動(dòng)有義值比較接近，但方案五的縱搖運(yùn)動(dòng)有義值比方案三在H1/3=1.5m、T=5.5s時(shí)小14.1%，在H1/3=2.5m、T=7.5s時(shí)小2.2%；方案五的橫搖運(yùn)動(dòng)有義值比方案三在H1/3=1.5m、T=5.5s時(shí)大0.44%，在H1/3=2.5m、T=7.5s時(shí)小 2.2%。經(jīng)過(guò)綜合比較后，認(rèn)為方案五比方案三是更好的選擇。

表2 9種船舶主尺度方案的穩(wěn)性指標(biāo)、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度指標(biāo)、耐波性能運(yùn)動(dòng)指標(biāo)和阻力性能指標(biāo)對(duì)照表

綜上所述，在9個(gè)主尺度設(shè)計(jì)方案中，方案五（船長(zhǎng)96m，船寬40.5m）是最好主尺度設(shè)計(jì)方案，最終選擇方案五（船長(zhǎng)96m，船寬40.5m）作為2400t起重船的最優(yōu)主尺度設(shè)計(jì)。

3 結(jié) 語(yǔ)

建立了工程船耐波性設(shè)計(jì)綜合分析評(píng)估法：闡述了該方法建立的目的和依據(jù)，并通過(guò)2400t起重船方案設(shè)計(jì)主尺度優(yōu)選過(guò)程，分別從穩(wěn)性指標(biāo)、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度指標(biāo)、阻力性能指標(biāo)和耐波性能運(yùn)動(dòng)指標(biāo)等優(yōu)選船舶主尺度設(shè)計(jì)方案。從中可知，工程船可以在常規(guī)設(shè)計(jì)方法的基礎(chǔ)上，通過(guò)耐波性能指標(biāo)的綜合分析評(píng)估更有效、更合理和更實(shí)用地設(shè)計(jì)工程船舶。

[1] 顧敏童. 船舶設(shè)計(jì)原理[M]. 上海：上海交通大學(xué)出版社，2001.

[2] 中國(guó)船舶工業(yè)總公司. 船舶設(shè)計(jì)實(shí)用手冊(cè)（總體分冊(cè)）[M]. 北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1997.

[3] BUREAU VERITAS. HYDROSTAR FOR EXPERTS USER MANUAL[R]. March 2009.