船舶耐波性設(shè)計(jì)及評(píng)估方法研究

高占鋒

（江蘇海藝船舶科技有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212009）

船舶耐波性設(shè)計(jì)及評(píng)估方法研究

高占鋒

（江蘇海藝船舶科技有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212009）

耐波性是船舶設(shè)計(jì)重要的參考指標(biāo)，本文在分析船舶耐波性及其運(yùn)動(dòng)方程式的基礎(chǔ)上，探討耐波性衡準(zhǔn)單項(xiàng)指標(biāo)和綜合指標(biāo)，并結(jié)合3000t工程起重船為例，就耐波性評(píng)估方法及應(yīng)用進(jìn)行了論述，指出了耐波性設(shè)計(jì)及評(píng)估方法的可行性，具有較強(qiáng)的應(yīng)用價(jià)值和實(shí)際意義。

船舶；耐波性設(shè)計(jì)；評(píng)估方法

1 船舶耐波性概述

船舶在波浪中的運(yùn)行是不可避免的，關(guān)鍵是要防止船舶在波浪中發(fā)生過大運(yùn)動(dòng)，確保船舷安全以及其他船舶功能不受損害。船舶耐波性是指船舶在波浪的擾動(dòng)下，即使有橫搖、甲板上浪、螺旋槳飛車等問題，仍能維持一定航速安全運(yùn)行的能力，船舶的耐波性對保障船舶航行安全尤為重要?，F(xiàn)實(shí)中，主要通過各種耐波性評(píng)價(jià)方法（如BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)耐波性評(píng)價(jià)法等）評(píng)估船舶的耐波性，其原理是計(jì)算一定風(fēng)浪環(huán)境下船舶航行的耐波性安全評(píng)估值，并根據(jù)計(jì)算出的評(píng)估值大小選擇不同風(fēng)浪條件下船舶最有利的航速和航向，指導(dǎo)船舶的航行操作，確保船舶航行安全。

從船舶設(shè)計(jì)者的視角看，船舶耐波性應(yīng)從船舶的適居性、使用性和生命力方面綜合考量。根據(jù)6個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)均值或特征值來看，加速度特征值、運(yùn)動(dòng)和加速度的極值、甲板淹濕、砰擊和砰擊負(fù)荷、波浪誘導(dǎo)振動(dòng)、船體相當(dāng)梁彎矩、船體撓度、局部波浪負(fù)荷、所需功率的增加、螺旋槳空轉(zhuǎn)、尾軸負(fù)荷和航向穩(wěn)定性等。

2 船舶在波浪中的運(yùn)動(dòng)方程式及耐波性設(shè)計(jì)

2.1 船舶在波浪中的受力

船舶在波浪中受力主要包括6個(gè)方面：重力，即船舶在運(yùn)動(dòng)過程中，其大小、方向和作用點(diǎn)是不變的；船體本身的慣性力；浮力，在船舶運(yùn)動(dòng)中是變化的；輻射流體動(dòng)力，由船舶搖蕩運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生；波浪擾動(dòng)力，包括不受船體擾動(dòng)的入射波的變動(dòng)水壓力形成的流體動(dòng)力，以及波浪遇到船體后時(shí)產(chǎn)生繞射流體動(dòng)力；流體粘性力，除橫搖運(yùn)動(dòng)外，流體粘性力一般不予考慮。

2.2 運(yùn)動(dòng)方程式

設(shè)定船舶作為一個(gè)剛體，忽略彈性變形；不考慮水的粘性和可壓縮性；假定作用于船體上的微幅規(guī)則波，可應(yīng)用線性理論；假定船舶搖蕩幅度微小，除大角度橫搖外，船舶在波浪中受力和運(yùn)動(dòng)都可以作為線性問題處理，應(yīng)用疊加原理。

3 耐波性衡準(zhǔn)

耐波性指標(biāo)受很多因素的影響，既與海洋環(huán)境條件有關(guān)，也與船舶任務(wù)不同而不同，目前還沒有一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。但總體來看，船舶的耐波性指標(biāo)主要可以分為兩大類：一類是單項(xiàng)指標(biāo)，即針對耐波性中某一性能的指標(biāo)；另一種則是對感興趣的若干耐波指標(biāo)的綜合評(píng)價(jià)。在實(shí)際中，根據(jù)船舶設(shè)計(jì)要求和工作任務(wù)決定選擇采用單一指標(biāo)還是綜合指標(biāo)。

3.1 耐波性單項(xiàng)指標(biāo)

（1）船體的絕對運(yùn)動(dòng)幅值。主要包括橫搖角、縱搖角、垂蕩、甲板上某點(diǎn)的垂直位移和船底某點(diǎn)的垂直位移。橫搖角、縱搖角和垂蕩與船員的舒適性、儀器設(shè)備能否正常運(yùn)行密切相關(guān)，橫搖角若過大會(huì)直接影響船舶的安全。甲板上某點(diǎn)垂直位移的大小對于具有艦載機(jī)能力的船舶是一個(gè)重要的衡準(zhǔn)指標(biāo)，會(huì)關(guān)系到飛機(jī)的起降安全。

（2）橫搖運(yùn)動(dòng)周期。為避免船舶與經(jīng)常遭遇的波浪發(fā)生橫搖諧搖，因此，有時(shí)需要對橫搖固有用期提出限制要求。例如，東海一帶海域時(shí)常會(huì)遭遇到50～60m海浪波長，相應(yīng)的波浪周期應(yīng)設(shè)置在6s左右，所以，在這一帶航行的船舶的橫搖固有周期應(yīng)盡量避開這一數(shù)值。

（3）絕對加速度。絕對加速度包括垂向加速度和暈船率。其中，垂向加速度的大小與垂向慣性力成正比，過大的慣性力可能會(huì)損傷設(shè)備、降低系統(tǒng)的效能；暈船則主要取決于運(yùn)動(dòng)加速度和運(yùn)動(dòng)周期，隨著垂向加速度的不斷增加，暈船率會(huì)顯著增加。

（4）相對波面運(yùn)動(dòng)。產(chǎn)生耐波性的船體相對波面運(yùn)動(dòng)主要包括船艏底部砰擊頻率、甲板淹濕頻率、螺旋槳出水概率等，不同類型船舶的相對薄面運(yùn)動(dòng)評(píng)價(jià)指標(biāo)不同。例如，相對于壓載航行的貨船，需要考慮的艏部砰擊頻率和螺旋槳的出水概率。

（5）波中失速。船舶在風(fēng)浪中的失速是指在推進(jìn)動(dòng)力裝置功率調(diào)定后，在風(fēng)浪中較在靜水中航行時(shí)航速的降低值。不包括主動(dòng)減速因素，即不包括船舶在風(fēng)浪中航行時(shí)為減少風(fēng)浪對船舶的不利影響而認(rèn)為調(diào)低主機(jī)功率，使航速較靜水中下降的數(shù)值。

3.2 耐波性綜合指標(biāo)

船舶的綜合性指標(biāo)主要是船舶作業(yè)時(shí)間百分?jǐn)?shù)和船舶期望航速百分?jǐn)?shù)兩大類。其中，①船舶作業(yè)時(shí)間百分?jǐn)?shù)是指船舶在規(guī)定的裝載及環(huán)境條件下執(zhí)行任務(wù)時(shí)所能成功作業(yè)的百分?jǐn)?shù)。其中：TW表示海浪中可以完成作業(yè)任務(wù)的時(shí)間；Ts表示船舶在靜水中可以完成的作業(yè)任務(wù)的時(shí)間。②船舶期望航速百分?jǐn)?shù)是指船舶在相同的裝載及污底情況下，在海浪中航行兩或多地的平均速度同靜水中設(shè)計(jì)航速的比值，這一比值等價(jià)于運(yùn)行時(shí)間指標(biāo)，即船舶在靜水中的航行兩或多地所需時(shí)間與其在給定海況或季節(jié)航行于該地的實(shí)際需要時(shí)間比值。其中，VW表示海浪中航行兩或多地的平均速度；Vs表示船舶在靜水中的設(shè)計(jì)航速；ts表示海浪中航行兩或多地實(shí)際所需要的時(shí)間；tw表示靜水中以設(shè)計(jì)航速航行兩或多地所需的時(shí)間。

上述給出了船舶設(shè)計(jì)時(shí)其耐波性指標(biāo)時(shí)所需要參考的衡準(zhǔn)指標(biāo)，計(jì)算這些耐波性指標(biāo)是還應(yīng)綜合考慮必備條件因素：船舶的任務(wù)布置，即設(shè)計(jì)船舶的主要任務(wù)以及各任務(wù)的相對重要性要設(shè)計(jì)時(shí)就明確；兩種耐波性衡準(zhǔn)組，要合理選定；結(jié)合海況條件實(shí)際，選擇簡單又可靠的計(jì)算方法；船舶作業(yè)區(qū)域的主要海況資料等。

4 船舶耐波性設(shè)計(jì)綜合評(píng)估法及應(yīng)用

4.1 船舶耐波性設(shè)計(jì)綜合評(píng)估法

根據(jù)船舶設(shè)計(jì)要求和調(diào)查分析，依據(jù)母型船法和經(jīng)驗(yàn)法等傳統(tǒng)方法，現(xiàn)行確定船舶的主尺度設(shè)計(jì)范圍。在主尺度設(shè)計(jì)范圍內(nèi)選擇N個(gè)主尺度船舶設(shè)計(jì)方案，并從線型設(shè)計(jì)、艙室布置、甲板等做好每一個(gè)方案付諸實(shí)施。并根據(jù)方案設(shè)計(jì)出的裝載工況的穩(wěn)性和強(qiáng)度等船舶基本性能指標(biāo)，對比分析確定M個(gè)現(xiàn)實(shí)可行的主尺度設(shè)計(jì)方案，通過對比確定設(shè)計(jì)船舶的耐波性能影響因素和衡準(zhǔn)指標(biāo)，然后再對M個(gè)主尺度設(shè)計(jì)方案的耐波性能指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算和相應(yīng)的對比分析，在M個(gè)方案中確定一個(gè)最佳的主尺度設(shè)計(jì)方案，再根據(jù)航海規(guī)范以及其他規(guī)范計(jì)算出典型的裝載工況，結(jié)合船舶主要耐波性能因素和性能指標(biāo)選擇出一定的裝載工況計(jì)算，并分析設(shè)計(jì)的船舶的耐波性能指標(biāo)，最后做出綜合性的評(píng)估。

4.2 船舶耐波性設(shè)計(jì)綜合評(píng)估法應(yīng)用

通過3000t起重工程船舶設(shè)計(jì)為例，就綜合評(píng)估法在船舶的耐波性設(shè)計(jì)中的應(yīng)用進(jìn)行探討。其中，主要包括兩個(gè)方面內(nèi)容：3000t起重船的主尺度設(shè)計(jì)方案比對優(yōu)選；評(píng)估設(shè)計(jì)船舶的耐波性能。

（1）主尺度比對優(yōu)選。3000t工程起重船舶主要應(yīng)用于非旋轉(zhuǎn)吊臂起重作業(yè)起吊重物所用，其中重要考慮的性能設(shè)計(jì)指標(biāo)包括船舶的穩(wěn)性、船舶結(jié)構(gòu)強(qiáng)度以及調(diào)傾能力等。此外，作為無推進(jìn)動(dòng)力裝置，起重船舶的阻力性能如何會(huì)影響傳播的調(diào)遣能力。因此，要從結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、穩(wěn)性、調(diào)傾能力、耐波性能以及阻力等方面綜合考慮船舶的主尺度設(shè)計(jì)。為此，應(yīng)從穩(wěn)性指標(biāo)、耐波性指標(biāo)以及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度指標(biāo)等，將這些指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算和分析，最終優(yōu)選出合適的起重船舶主尺度，并將其作為最終設(shè)計(jì)方案。

（2）主尺度設(shè)計(jì)方案。針對3000t起重工程船舶的特點(diǎn)，參照母型船以及之前的成果，根據(jù)工程起重船舶的作業(yè)特點(diǎn)和海域情況，確定船舶長度為98-102m，船寬為41-45m。結(jié)合船舶、船寬設(shè)計(jì)長度或?qū)挾葘ζ鹬卮暗姆€(wěn)性、阻力和耐波性的實(shí)際影響，制定出了9套主尺度設(shè)計(jì)方案：船長分別選擇98m、100m、102m，船寬選擇為41m、43m、45m。根據(jù)先前設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，以及母型船的船舶作業(yè)任務(wù)，確定船體布置、艙室劃分等主要機(jī)械布置，確定9套空船重量設(shè)計(jì)方案。再根據(jù)這9種方案設(shè)計(jì)船體模型，并將9種方案所裝載的工況進(jìn)行計(jì)算。為便于優(yōu)選比對，將9個(gè)方案設(shè)計(jì)中的模型參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)定：裝載工況相似，吃水深度均為4.5m；船舶的橫搖慣性半徑和縱搖慣性半徑按照裝載工況沿設(shè)計(jì)船舶的船長方向的質(zhì)量分布進(jìn)行計(jì)算。船舶橫搖阻尼系數(shù)取船體臨界阻尼系數(shù)的6.5%；船舶的重心則根據(jù)NAPA模型計(jì)算獲得。9種方案的船舶船艏和船尾線型設(shè)計(jì)相似。海浪譜選擇船舶設(shè)計(jì)規(guī)范中所規(guī)定的P-M譜。

結(jié)合起重船舶設(shè)計(jì)任務(wù)書的要求，后期船舶作業(yè)及海域的抗風(fēng)海況分別是H1/3=3m、波浪跨零周期T=8s，以及H1/3=2.5m、波浪跨零周期T=6.5s，此時(shí)，海況條件作為耐波性能指標(biāo)對比波浪環(huán)境條件。

最后將9種船舶主尺度方案的穩(wěn)定性指標(biāo)、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度指標(biāo)和耐波性指標(biāo)以及阻力性能指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算比選，得出最優(yōu)設(shè)計(jì)方案。

[1]李積德.船舶耐波性[M]哈爾濱.哈爾濱船舶工程學(xué)院出版社，1992

U662

A

1006—7973（2017）10-0037-02

10.13646/j.cnki.42-1395/u.2017.10.016