基于NAPA軟件的漁業(yè)船舶完整穩(wěn)性分析

蔡計(jì)強(qiáng)， 諶志新

(1 上海交通大學(xué)船舶海洋與建筑工程學(xué)院，上海 200240；2 農(nóng)業(yè)部漁業(yè)裝備與工程技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國(guó)水產(chǎn)科學(xué)研究院漁業(yè)機(jī)械儀器研究所，上海 200092)

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基于NAPA軟件的漁業(yè)船舶完整穩(wěn)性分析

蔡計(jì)強(qiáng)1,2， 諶志新2

(1 上海交通大學(xué)船舶海洋與建筑工程學(xué)院，上海 200240；2 農(nóng)業(yè)部漁業(yè)裝備與工程技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國(guó)水產(chǎn)科學(xué)研究院漁業(yè)機(jī)械儀器研究所，上海 200092)

為驗(yàn)證NAPA軟件在漁業(yè)船舶應(yīng)用上的可行性和采用船舶靜力學(xué)原理計(jì)算完整穩(wěn)性的精確性，根據(jù)南海海域49.5 m金槍魚(yú)延繩釣船的特定作業(yè)工況，分別采用NAPA軟件和表格進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算結(jié)果表明，兩種計(jì)算方法的偏差在2%左右，能夠滿足工程應(yīng)用的精度要求。對(duì)氣象衡準(zhǔn)計(jì)算，分別采用了漁業(yè)船舶規(guī)則和國(guó)際海事組織(IMO)規(guī)則，由于算法不同，其偏差較大。通過(guò)比較發(fā)現(xiàn)，漁業(yè)船舶規(guī)則對(duì)氣象衡準(zhǔn)的要求高于IMO規(guī)則的要求。在沒(méi)有條件使用大型船舶計(jì)算軟件，且船舶處于平浮狀態(tài)時(shí)，采用船舶靜力學(xué)原理的計(jì)算結(jié)果是精確的。采用了船舶靜力學(xué)原理并建立了NAPA計(jì)算模型，通過(guò)實(shí)例計(jì)算表明，NAPA軟件具有在漁業(yè)船舶應(yīng)用上的可行性和采用船舶靜力學(xué)原理計(jì)算完整穩(wěn)性的精確性，該結(jié)論可為船舶設(shè)計(jì)人員選取不同計(jì)算方法時(shí)提供參考依據(jù)。

完整穩(wěn)性；NAPA；漁業(yè)船舶；氣象衡準(zhǔn)

完整穩(wěn)性是關(guān)系船舶能否安全運(yùn)營(yíng)的一個(gè)重要指標(biāo)[1-4]。船級(jí)社和漁船檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)都非常重視對(duì)其的檢驗(yàn)和審查，并頒布了詳細(xì)的檢驗(yàn)衡準(zhǔn)[5-6]。鑒于船舶穩(wěn)性的重要性及近年來(lái)海損事故頻發(fā)的現(xiàn)實(shí)，國(guó)際海事組織(IMO)正在制定完整穩(wěn)性的第二代衡準(zhǔn)，并將其作為2008年國(guó)際完整穩(wěn)性規(guī)則(2008 IS CODE)A部分強(qiáng)制性要求的補(bǔ)充和替代方法。國(guó)內(nèi)已開(kāi)展了相關(guān)的研究工作[7-10]。在圖紙審查方面，相較于運(yùn)輸船舶由船級(jí)社審核，我國(guó)的漁業(yè)船舶則由漁船檢驗(yàn)局審核。不同的檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)對(duì)完整穩(wěn)性衡準(zhǔn)的定義有所不同。運(yùn)輸船舶一般采用芬蘭的總體性能軟件NAPA進(jìn)行校核。而漁業(yè)船舶，由于受制于資金不足等問(wèn)題，長(zhǎng)期以來(lái)都是自行編制計(jì)算表格用于計(jì)算。

為提高漁業(yè)船舶的設(shè)計(jì)效率，已有多家設(shè)計(jì)單位引進(jìn)了NAPA軟件，并運(yùn)用于完整穩(wěn)性校核。運(yùn)輸船舶長(zhǎng)期采用NAPA軟件，其計(jì)算結(jié)果經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)單位、船廠和船級(jí)社的多次驗(yàn)證，其建模方法和計(jì)算結(jié)果均具有較高的可信度。工程應(yīng)用一般都有一定的可接受誤差范圍，如中國(guó)船級(jí)社對(duì)初穩(wěn)心高GM值的可接受誤差為1%，對(duì)復(fù)原力臂GZ的可接受誤差為5%[11]。首次在漁業(yè)船舶上應(yīng)用NAPA軟件，并且由于船型、作業(yè)工況和校核衡準(zhǔn)的差異性，有必要對(duì)NAPA軟件進(jìn)行校核。本文分別采用表格計(jì)算和NAPA軟件進(jìn)行計(jì)算。表格計(jì)算是指運(yùn)用船舶原理并采用辛浦生積分法所進(jìn)行的穩(wěn)性計(jì)算(在不產(chǎn)生誤解的前提下，以下簡(jiǎn)稱“表格計(jì)算”)；而NAPA軟件則采用數(shù)值積分的方法進(jìn)行計(jì)算。

1 漁業(yè)船舶作業(yè)工況配載

1.1 漁業(yè)船舶作業(yè)工況

漁業(yè)船舶有多種作業(yè)工況，不僅要從事捕魚(yú)作業(yè)，并且要盡快地將漁獲物運(yùn)輸上岸以保證魚(yú)的品質(zhì)，同時(shí)還要具備優(yōu)良的快速性以躲避惡劣海況，實(shí)現(xiàn)安全作業(yè)。漁業(yè)船舶規(guī)則要求必須校核滿載出港、捕魚(yú)中、滿載返港、滿載到港和空載到港等典型作業(yè)工況?？傮w布置時(shí)，漁業(yè)船舶通常將燃油艙布置在船舶的底部，在滿載出港時(shí)有利于降低船舶重心。但在滿載到港時(shí)，燃料消耗得只剩下10%，且漁獲物有時(shí)存放在高處的凍結(jié)間，這將提高船舶的重心。本文計(jì)算時(shí)將選取較危險(xiǎn)的滿載到港作為校核工況。

1.2 空船重量估算與作業(yè)工況配載

本文的考察對(duì)象為在南海作業(yè)的49.5 m金槍魚(yú)延繩釣船，其垂線間長(zhǎng)LPP=43 m，型寬B=8.2 m，型深D=3.55 m，設(shè)計(jì)吃水d=3.1 m，排水量Δ=780.78 t?？沾亓康臏?zhǔn)確估算對(duì)完整穩(wěn)性計(jì)算很重要。對(duì)相同船型進(jìn)行統(tǒng)計(jì)回歸后，得到了漁業(yè)船舶重量重心的多項(xiàng)回歸公式[12]：

LW=K×Lpp0.9×B1.2×D0.7

(1)

式中：LW—船舶空船重量，t；K—無(wú)因次系數(shù)；Lpp—垂線間長(zhǎng)，m；B—型寬，m；D—型深，m。

選取船型相近的母型船后運(yùn)用該回歸公式并選取相同的K值，可以較為準(zhǔn)確地估算出新船的重量重心。估算得到的空船重量LW=527.5 t，船舶重心縱向坐標(biāo)LCG=19.25 m，船舶重心垂向坐標(biāo)VCG=3.33 m。表格計(jì)算時(shí)，需要計(jì)算空船重量、油水艙和其他配載的重量重心，并匯總垂向力矩和縱向力矩，最后得到該作業(yè)工況下的整船重量重心。用NAPA軟件計(jì)算時(shí)，在完成線型建模和艙室分艙后，只需要輸入空船重量重心并進(jìn)行合理配載，就可以完成作業(yè)工況的配載。用到的NAPA語(yǔ)言為：LOAD，load，amount，location，如LOAD，F(xiàn)W，*1，R1.01，其含義為在艙室代號(hào)為R1.01的No.1 淡水艙內(nèi)加載滿艙的淡水。用以上2種方法分別進(jìn)行配載，其計(jì)算結(jié)果是一致的，排水量766.6 t，重心距艉柱20.504 m，重心高度3.071m。

2 自由液面修正

2.1 自由液面對(duì)初穩(wěn)心高的修正

根據(jù)漁業(yè)船舶規(guī)則[6]的要求，凡存在自由液面的液體艙，均應(yīng)計(jì)算裝載50%艙容液體的自由液面影響，如果艙的形狀特殊，存在更為不利的自由液面影響，則應(yīng)按更不利的情況計(jì)算自由液面影響，而IS CODE[5]要求按照形成最大慣性矩的液面進(jìn)行計(jì)算。為了船舶安全、提高穩(wěn)性裕度，船級(jí)社和漁船檢驗(yàn)局一般都按形成最大慣性矩的液面進(jìn)行初穩(wěn)心高修正。本文的兩種計(jì)算方法均考慮最大自由液面影響。計(jì)算時(shí)對(duì)表1中的液艙進(jìn)行自由液面修正。表格計(jì)算時(shí)，自由液面修正力矩為26.66 t·m，自由液面修正值為0.034 8 m；應(yīng)用NAPA軟件時(shí)，自由液面修正力矩為26.68 t·m，自由液面修正值為0.034 8 m?？梢钥闯?，兩種算法的計(jì)算結(jié)果是一致的[13-14]，按照船舶靜力學(xué)原理，其初穩(wěn)心高修正公式如下：

δGM=∑ρnIn/Δ

(2)

式中：δGM—初穩(wěn)心高修正值，m；ρn—某一個(gè)液艙內(nèi)的液體密度，t/m3；In—某一個(gè)液艙自由液面慣性矩，m4；n—全船應(yīng)計(jì)及自由液面影響的液艙的序號(hào)。

GM=KM-KG-δGM

(3)

式中：KM—橫穩(wěn)心高，m；KG—作業(yè)工況下的重心高度，m。

通過(guò)公式(3)，可以算出該作業(yè)工況下的初穩(wěn)心高GM。

2.2 自由液面對(duì)穩(wěn)性曲線的修正

考慮自由液面對(duì)穩(wěn)性曲線的修正時(shí)，應(yīng)根據(jù)漁業(yè)船舶規(guī)則[6]的要求進(jìn)行核算，計(jì)算某一個(gè)液艙自由液面修正力矩，公式如下：

(4)式中：Mφ—不同橫傾角的自由液面修正力矩，t·m；V—艙柜的最大容積，m3；b—艙柜的最大寬度，m；ρ—艙柜中液體的密度，t/m3；k—無(wú)因次系數(shù)(按照b/h進(jìn)行計(jì)算)；δ—艙柜的方形系數(shù)；h—艙柜的最大高度，m；。

(5)

(6)

(7)

采用公式(3)～(7)，算出不同橫傾角的自由液面修正力矩Mφ，并用下面公式計(jì)算復(fù)原力臂減小值δGZ：

(8)

表1為按照上面的計(jì)算方法并用表格計(jì)算得到的自由液面修正力矩。表中所列艙室在船上的位置按圖1所示。

表1 自由液面修正力矩

R1.01P&S—No.1淡水艙(左&右)；R1.02P&C&S—No.2 淡水艙(左&中&右)；R2.01P&C&S—No.1 燃油艙(左&中&右)；R2.02P&S—No.2燃油艙(左&右)；R2.03—日用油柜；R3.01—滑油艙；R3.02—污油艙；R4.01、R4.02、R4.03—No.1、No.2、No.3冷藏魚(yú)艙；R5.01—生活污水艙。圖1 NAPA計(jì)算模型Fig.1 The NAPA calculation model

用NAPA軟件計(jì)算時(shí)，按照IS CODE的方法進(jìn)行修正。NAPA軟件的語(yǔ)法為：FRS，‘(R1.02P R1.02S R1.02C)/ALL IMO 0’，‘(R2.01P R2.01S)/ALL IMO 0’，其含義為R1.02(P&C&S)和R2.01(P&S)按照IMO的規(guī)則進(jìn)行修正。NAPA軟件沒(méi)有詳細(xì)列出自由液面修正過(guò)程，只能通過(guò)改變修正方法來(lái)更改。

采用公式(8)進(jìn)行表格計(jì)算得到不同橫傾角度的復(fù)原力臂減小值δGZ，并與NAPA軟件計(jì)算得到的修正值進(jìn)行比較(表2)，兩種計(jì)算方法的最大差異比值為3.17%。復(fù)原力臂減小值δGZ對(duì)靜穩(wěn)性曲線的準(zhǔn)確繪制具有至關(guān)重要的作用，差異越小的δGZ表明靜穩(wěn)性曲線的差異也越小。雖然NAPA軟件沒(méi)有給出自由液面的具體計(jì)算公式，但計(jì)算結(jié)果表明，船舶原理對(duì)表格計(jì)算或NAPA軟件均具有普適性。由于δGZ的數(shù)值為毫米級(jí)別，其計(jì)算結(jié)果的差異更多來(lái)自截?cái)嗾`差。

表2 不同橫傾角下的復(fù)原力臂減小值δGZ

3 氣象衡準(zhǔn)校核

3.1 漁業(yè)船舶規(guī)則對(duì)氣象衡準(zhǔn)的規(guī)定

氣象衡準(zhǔn)數(shù)K值體現(xiàn)了船舶在風(fēng)浪聯(lián)合作用下的穩(wěn)性水平，一般情況下K值越大穩(wěn)性越好[15-17]。采用漁業(yè)船舶規(guī)則[6]進(jìn)行校核時(shí)，穩(wěn)性衡準(zhǔn)數(shù)K應(yīng)符合下式要求：

(9)

式中：lq—最小傾復(fù)力臂，m；lf—風(fēng)壓傾側(cè)力臂，m。

風(fēng)壓傾側(cè)力臂lf按下式計(jì)算：

(10)

式中：Av—船舶受風(fēng)面積，m2；Z—計(jì)算風(fēng)力作用力臂，m；Δ—所核算裝載工況下船舶的排水量，t；P—單位計(jì)算風(fēng)壓，Pa。該工況在遠(yuǎn)海航區(qū)時(shí)，其風(fēng)力作用力臂為2.689 m，受風(fēng)面積為231.54 m2，對(duì)應(yīng)的單位計(jì)算風(fēng)壓P為1 062.3 Pa。表格計(jì)算時(shí)，由圖1可得最小傾覆力臂，該值大小與船舶橫搖角和進(jìn)水角有關(guān)系。如圖1所示且經(jīng)計(jì)算，最小傾覆力臂lq=0.171 3 m，風(fēng)壓傾側(cè)力臂lf=0.088，K=1.948。

3.2 國(guó)際海事組織對(duì)氣象衡準(zhǔn)的規(guī)定

我國(guó)漁業(yè)船舶規(guī)則與國(guó)際海事組織(IMO)規(guī)則在氣象衡準(zhǔn)計(jì)算上所用的方法是不一樣的。前者采用力臂比，后者采用面積比，但其所要求的K值都要大于1。從表3可以直觀地看出兩種衡準(zhǔn)的區(qū)別[2]。

表3 氣象衡準(zhǔn)對(duì)照表

用NAPA進(jìn)行氣象衡準(zhǔn)計(jì)算時(shí)，其定義語(yǔ)法如下：

CRIT, IMOWEATHER, ′IMO weather criterion′

TYPE, ARATIO1

REQ, 1

RANG, EQ-ROLL, MIN(50, FAUN)

MOM, IMOWIND

OK

該條語(yǔ)法的意思是：無(wú)限航區(qū)時(shí)采用IMO定義的風(fēng)壓，即504 Pa，其橫傾角范圍為從平衡點(diǎn)向左到橫搖角，向右到50度或進(jìn)水點(diǎn)的較小值。經(jīng)計(jì)算，b=0.150 7 m·rad，a=0.048 8 m·rad，最終計(jì)算結(jié)果為面積比K=b/a=3.088。

4 完整穩(wěn)性衡準(zhǔn)

4.1 穩(wěn)性衡準(zhǔn)計(jì)算方法介紹

衡量漁業(yè)船舶穩(wěn)性的優(yōu)劣性，主要從以下幾條衡準(zhǔn)來(lái)判斷：不同橫傾角時(shí)GZ曲線下的面積；初穩(wěn)性高、橫傾30度時(shí)的復(fù)原力臂；最大復(fù)原力臂對(duì)應(yīng)角和氣象衡準(zhǔn)數(shù)。表格計(jì)算時(shí)，將靜穩(wěn)性臂和動(dòng)穩(wěn)性臂畫(huà)在CAD圖上(圖2)，再?gòu)膱D中量取所需的面積值、復(fù)原力臂和角度等。

用NAPA計(jì)算，則是采用編制NAPA BASIC語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)穩(wěn)性衡準(zhǔn)的定義。

圖2 表格計(jì)算完整穩(wěn)性Fig.2 The table calculation of intact stability

4.2 完整穩(wěn)性差異比較

為了直觀地反映完整穩(wěn)性衡準(zhǔn)的差異性，對(duì)國(guó)內(nèi)規(guī)則和國(guó)際規(guī)則對(duì)完整穩(wěn)性的不同要求進(jìn)行了匯總，并表列了采用漁業(yè)船舶規(guī)則的表格計(jì)算和采用2008國(guó)際完整穩(wěn)性規(guī)則(2008 IS CODE)

的NAPA計(jì)算的驗(yàn)算結(jié)果，列出了這兩種計(jì)算方法的差異比值(表4)。

由表4可以看出，除了氣象衡準(zhǔn)差異較大外，其余衡準(zhǔn)數(shù)的偏差都在2%以內(nèi)。表格計(jì)算時(shí)，K=1.948，而NAPA計(jì)算時(shí)，K=3.088。其計(jì)算結(jié)果的差異更多地來(lái)源于計(jì)算公式的不一致，如表3所示的橫搖角計(jì)算公式。表格計(jì)算時(shí)橫搖角φa=17.974，而NAPA計(jì)算時(shí)φa=18.714。由表4也可看出，采用漁業(yè)船舶規(guī)則所得的K值要比采用IMO規(guī)則所得的數(shù)值小，即漁業(yè)船舶規(guī)則更加嚴(yán)格[2]，與通常認(rèn)為的國(guó)際法規(guī)比國(guó)內(nèi)法規(guī)嚴(yán)格是有矛盾的。

漁業(yè)船舶規(guī)則[6]上寫(xiě)明：如果船舶符合IMO的穩(wěn)性衡準(zhǔn)要求，驗(yàn)船部門可予以同意。表4也對(duì)完整穩(wěn)性進(jìn)行了對(duì)比，其不同點(diǎn)在于對(duì)初穩(wěn)心高GM的要求不同，對(duì)常規(guī)運(yùn)輸船GM最小值為0.15 m，對(duì)漁業(yè)船舶則為0.35 m。通過(guò)本案例分析可以發(fā)現(xiàn)，采用IMO規(guī)則進(jìn)行校核時(shí)，特別是氣象衡準(zhǔn)，考慮到船舶安全性，應(yīng)該留有一定的余量，這可為漁業(yè)船舶規(guī)則的修正提供參考依據(jù)。

表4 完整穩(wěn)性差異匯總表

5 結(jié)論

分別采用表格計(jì)算和NAPA軟件進(jìn)行計(jì)算，可以起到相互驗(yàn)證的作用。在驗(yàn)證過(guò)程中，設(shè)計(jì)人員能更好地掌握軟件的應(yīng)用方法和其中參數(shù)的具體含義，避免由于參數(shù)設(shè)定不正確而造成計(jì)算結(jié)果的錯(cuò)誤。在作業(yè)工況較少的情況下，采用表格計(jì)算是沒(méi)問(wèn)題的，但在作業(yè)工況較多的情況下，會(huì)比較繁瑣，且容易出錯(cuò)。如果第二代完整穩(wěn)性衡準(zhǔn)生效，將加大表格計(jì)算的難度，也將影響計(jì)算結(jié)果的精確性。

NAPA軟件目前已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，并且有部分船級(jí)社直接將其作為校核軟件，如日本船級(jí)社NK、意大利船級(jí)社RINA和英國(guó)LR船級(jí)社等。該軟件具有優(yōu)良的拓?fù)潢P(guān)系，這將提高多工況的計(jì)算效率，也能快速地比較多個(gè)設(shè)計(jì)方案的優(yōu)劣性，可縮短計(jì)算時(shí)間。采用NAPA軟件計(jì)算具有快速性和準(zhǔn)確性的特點(diǎn)，該軟件應(yīng)用于漁業(yè)船舶，能夠提高設(shè)計(jì)效率、減少出錯(cuò)率，有利于漁業(yè)船舶工程快速發(fā)展。

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Analysis on the intact stability of the fishing vessel >based on NAPA software

CAI Jiqiang1,2， CHEN Zhixin1

(1 School of Naval Architecture, Ocean & Civil Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China ; 2 Key Laboratory of Fishery Equipment and Engineering, Ministry of Agriculture, Fishery Machinery and Instrument Research Institute, Chinese Academy of Fishery Sciences, Shanghai 200092, China)

For the purpose of verifying the feasibility of NAPA software in fishing vessel and the accuracy of the stability calculation with the ship’s hydrostatical theory, according to the special loading condition of the 49.5 m tuna longliner ship, the NAPA software and the table calculation were used respectively. The calculation results showed that the deviation of the two methods was about 2%, which could satisfy the accuracy requirements of the engineering application. About the weather criterion calculation, the Fishing Vessel Statutory Inspection Rules and the International Maritime Organization (IMO) Codes were used respectively. Because of the method difference, the result deviation was a bit large. The comparison results indicated that the requirements of Fishing Vessel Statutory Inspection Rules to weather criterion was stricter than that of the IMO Codes. In the absence of using the large ship calculation software and the ship was untrimmed, the results using the ship’s hydrostatical theory were reliable. As the large ship calculation software is used frequently by the designer, so the calculation principle of the NAPA software is necessary for analysis. The ship’s hydrostatical theory was adopted and the NAPA calculation model was established. Through the real example calculation, the results showed the feasibility of NAPA software in fishing vessel and the accuracy of the stability calculation with the ship’s hydrostatical theory. In addition, the results could provide reference foundation when the ship designer selects different calculation methods.

intact stability; NAPA; fishing vessel; weather criterion

2015-09-03

2016-01-10

公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專項(xiàng)“漁業(yè)節(jié)能關(guān)鍵技術(shù)研究與重大裝備開(kāi)發(fā)(201003024)”；上海市科技興農(nóng)項(xiàng)目 “漁船船型標(biāo)準(zhǔn)化及節(jié)能技術(shù)集成示范與推廣( 滬農(nóng)科推字2012第2-3號(hào))”

蔡計(jì)強(qiáng)(1985—)，男，碩士研究生，研究方向：船舶總體設(shè)計(jì)。E-mail：cjq-ssy@163.com

諶志新(1969—)，男，研究員，研究方向：海洋漁業(yè)工程裝備。E-mail：chenzhixin@fmiri.ac.cn

10.3969/j.issn.1007-9580.2016.01.008

U674.4

A

1007-9580(2016)01-041-06