船舶第二代完整穩(wěn)性機(jī)理及船舶操縱技術(shù)分析

翁建軍， 鄭 道， 張 兢

(1. 武漢理工大學(xué) 航運(yùn)學(xué)院， 武漢 430063； 2. 內(nèi)河航運(yùn)技術(shù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 武漢 430063)

2017-04-25

翁建軍(1965—)，男，浙江諸暨人，教授，碩士，主要從事水上交通安全保障、海事管理理論與技術(shù)研究。

E-mail:wjj11233@163.com

1000-4653(2017)03-0088-05

船舶第二代完整穩(wěn)性機(jī)理及船舶操縱技術(shù)分析

翁建軍1,2， 鄭 道1， 張 兢1,2

(1. 武漢理工大學(xué) 航運(yùn)學(xué)院， 武漢 430063； 2. 內(nèi)河航運(yùn)技術(shù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 武漢 430063)

為增進(jìn)船舶航行安全，分析船舶第一代完整穩(wěn)性規(guī)則的局限性及其發(fā)展趨勢(shì)，探討船舶第二代完整穩(wěn)性的架構(gòu)機(jī)理。從第一層穩(wěn)性衡準(zhǔn)的參數(shù)橫搖、純穩(wěn)性喪失、癱船穩(wěn)性、騎浪/橫甩和過(guò)度加速度等5種穩(wěn)性失效模式的評(píng)估方法及其與船舶靜態(tài)參數(shù)、動(dòng)態(tài)參數(shù)的關(guān)系入手，分析基于第二代完整穩(wěn)性衡準(zhǔn)的船舶操縱性能，提出確保穩(wěn)性滿足規(guī)則要求的船舶操縱技術(shù)和措施。

第二代完整穩(wěn)性； 穩(wěn)性衡準(zhǔn)； 船舶操縱； 安全

2008年，國(guó)際海事組織(International Maritime Organization, IMO)首次提出“新一代完整穩(wěn)性衡準(zhǔn)”的制定工作計(jì)劃[1]，并在2011年正式將其命名為“第二代完整穩(wěn)性衡準(zhǔn)”。由此，世界各國(guó)開(kāi)始對(duì)第二代完整穩(wěn)性開(kāi)展研究和討論。與第一代完整穩(wěn)性相比，第二代完整穩(wěn)性全面考慮船舶穩(wěn)性失效問(wèn)題，將船舶穩(wěn)性失效模式[2]分為以下3種：

1) 船舶復(fù)原力臂變化導(dǎo)致的穩(wěn)性失效模式，如純穩(wěn)性喪失和參數(shù)橫搖。

2) SOLAS公約定義的將《2008年國(guó)際完整穩(wěn)性規(guī)則》(即第一代完整穩(wěn)性)作為第一層穩(wěn)性衡準(zhǔn)的癱船穩(wěn)性。

3) 不僅與船舶穩(wěn)性有關(guān)，而且與船舶操縱性能有關(guān)的穩(wěn)性失效模式，如騎浪/橫甩。

此外，IMO還將我國(guó)與德國(guó)聯(lián)合提出的“過(guò)度加速度”作為船舶完整穩(wěn)性失效的第5種模式，從而形成由5種穩(wěn)性失效模式、3層評(píng)估方法及船舶航行作業(yè)指南組成的第二代完整穩(wěn)性衡準(zhǔn)體系。

目前第二代完整穩(wěn)性衡準(zhǔn)規(guī)范正處在構(gòu)架與論證階段，按該規(guī)范設(shè)計(jì)建造的船舶的穩(wěn)性和操縱性將與按第一代完整穩(wěn)性規(guī)范建造的船舶產(chǎn)生較大差別。因此，分析第二代完整穩(wěn)性衡準(zhǔn)的架構(gòu)機(jī)理，了解其第一層穩(wěn)性衡準(zhǔn)中參數(shù)橫搖、純穩(wěn)性喪失、癱船穩(wěn)性、騎浪/橫甩和過(guò)度加速度等5種穩(wěn)性失效模式的評(píng)估方法及其與船舶靜態(tài)參數(shù)、動(dòng)態(tài)參數(shù)的關(guān)系，確定第二代完整穩(wěn)性衡準(zhǔn)下的船舶操縱方法，對(duì)指導(dǎo)駕駛員有效操縱船舶，保障船舶的安全具有實(shí)際意義。

1 第一代完整穩(wěn)性的局限性及發(fā)展趨勢(shì)

目前實(shí)施的第一代完整穩(wěn)性規(guī)則主要是以船舶靜力學(xué)理論為基礎(chǔ)，考慮船舶在靜水中經(jīng)受橫風(fēng)、橫浪作用時(shí)的復(fù)原力臂曲線參數(shù)，根據(jù)船舶營(yíng)運(yùn)統(tǒng)計(jì)和氣象衡準(zhǔn)制定的。當(dāng)前，隨著各種超大型船舶及特殊構(gòu)造和特殊用途的船舶不斷涌現(xiàn)，為提高運(yùn)輸效率，對(duì)船舶抗風(fēng)浪的要求不斷提高，但基于船舶靜力學(xué)理論制定的第一代完整穩(wěn)性規(guī)則的衡準(zhǔn)要求無(wú)法體現(xiàn)船舶種類、操縱特性和環(huán)境條件的多樣性，致使船舶在惡劣海況下因動(dòng)穩(wěn)性失衡而傾覆的事故頻發(fā)。因此，第一代完整穩(wěn)性規(guī)則已不能有效滿足對(duì)船舶穩(wěn)性的要求。目前，船舶水動(dòng)力學(xué)理論研究已取得顯著成果，考慮船舶在風(fēng)浪中的動(dòng)穩(wěn)性的第二代完整穩(wěn)性規(guī)則的制定在技術(shù)上也日趨成熟。

2 第二代完整穩(wěn)性的基本構(gòu)架

第二代完整穩(wěn)性是在第一代完整穩(wěn)性規(guī)則的基礎(chǔ)上充分考慮波浪中船舶的動(dòng)穩(wěn)性提出的。對(duì)于5種穩(wěn)性失效模式的第一層穩(wěn)性衡準(zhǔn)，除了個(gè)別參數(shù)沒(méi)有確定以外，其余都已基本達(dá)成一致意見(jiàn)。[1]每種穩(wěn)性失效模式都有相對(duì)應(yīng)的衡準(zhǔn)條件，對(duì)船舶設(shè)計(jì)者、建造者及船舶駕駛員來(lái)說(shuō)都具有較強(qiáng)的可操作性。但是，對(duì)于第二層穩(wěn)性衡準(zhǔn)和第三層穩(wěn)性直接評(píng)估，目前尚處在討論階段，各國(guó)在模型試驗(yàn)和實(shí)船驗(yàn)證的基礎(chǔ)上提出多種衡準(zhǔn)建議及提案。當(dāng)前第二代完整穩(wěn)性衡準(zhǔn)的三層評(píng)估方法的計(jì)算完整度和評(píng)估準(zhǔn)確度正逐漸提高，其基本原則是：對(duì)于一艘特定船舶，只有當(dāng)?shù)谝粚臃€(wěn)性衡準(zhǔn)評(píng)估未通過(guò)時(shí)，才有必要進(jìn)行第二層穩(wěn)性衡準(zhǔn)評(píng)估；若第二層穩(wěn)性衡準(zhǔn)評(píng)估仍未通過(guò)，則進(jìn)行第三層穩(wěn)性直接評(píng)估。當(dāng)使用三層衡準(zhǔn)的方法均無(wú)法通過(guò)時(shí)，對(duì)于擬建船舶，必須對(duì)其進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，使其符合衡準(zhǔn)要求，并制定相應(yīng)的航行操縱指南；對(duì)于已投入營(yíng)運(yùn)的船舶，制定航行操縱指南，以避免船舶在營(yíng)運(yùn)過(guò)程中出現(xiàn)穩(wěn)性失效的問(wèn)題。[1]

3 兩代完整穩(wěn)性船舶操縱方法主要區(qū)別

與第一代完整穩(wěn)性相比，第二代完整穩(wěn)性考慮隨浪中的船舶穩(wěn)性、橫甩和參數(shù)橫搖等因素對(duì)船舶安全的影響。從保障船舶安全航行的角度出發(fā)，考慮第二代完整穩(wěn)性，需改進(jìn)船舶操縱方法。

第一代完整穩(wěn)性規(guī)則是基于橫風(fēng)橫浪模型制定的，認(rèn)為船舶所處的最危險(xiǎn)情形是遭遇橫風(fēng)橫浪。當(dāng)遭遇橫風(fēng)橫浪時(shí)，駕駛員通常采取改變航向的操縱方法，這種操縱方法可能使船舶隨浪或艉斜浪航行，而忽略該狀況下船舶穩(wěn)性的不利變化。第二代完整穩(wěn)性認(rèn)為船舶隨浪航行同樣存在危險(xiǎn)，可能造成穩(wěn)性喪失。因此，駕駛員應(yīng)盡量避免船舶在隨浪或艉斜浪狀況下航行。

第一代完整穩(wěn)性主要考慮船舶在橫浪中的危險(xiǎn)，駕駛員會(huì)盡量避免船舶出現(xiàn)主共振橫搖。第二代完整穩(wěn)性考慮參數(shù)共振現(xiàn)象，船舶在順浪或頂浪航行時(shí)易產(chǎn)生較大幅度的縱搖和垂蕩，引起參數(shù)橫搖。因此，在操縱船舶時(shí)應(yīng)在改變航向使其順浪或頂浪航行的基礎(chǔ)上，在條件允許的情況下改變航速，以改變船舶與波浪的遭遇周期，減小船舶的縱搖和垂蕩運(yùn)動(dòng)，避免出現(xiàn)大幅度的參數(shù)共振橫搖。

4 第一層穩(wěn)性衡準(zhǔn)評(píng)估及船舶操縱性分析

4.1參數(shù)橫搖

參數(shù)橫搖是指阻尼較小的船舶在航行過(guò)程中遭遇一定頻率的波浪時(shí)產(chǎn)生顯著的縱搖和升沉運(yùn)動(dòng)，船舶復(fù)原力臂隨時(shí)間周期性變化而產(chǎn)生較大的橫搖角的非線性現(xiàn)象。當(dāng)船舶航行在波長(zhǎng)與船長(zhǎng)相當(dāng)、遭遇周期為橫搖周期1/2的水域時(shí)，極易發(fā)生嚴(yán)重的參數(shù)橫搖，甚至導(dǎo)致傾覆。IMO第二代完整穩(wěn)性衡準(zhǔn)中有關(guān)參數(shù)橫搖的草案適用于船長(zhǎng)≥24 m的所有商船。

4.1.1穩(wěn)性衡準(zhǔn)評(píng)估

當(dāng)船舶滿足以下條件時(shí)，不易發(fā)生參數(shù)橫搖，認(rèn)為參數(shù)橫搖第一層穩(wěn)性衡準(zhǔn)通過(guò)。

(1)

式(1)中：ΔhGM為船舶在波浪中的穩(wěn)性高變化的幅值；hGM為船舶在靜水中的初穩(wěn)性高度；RPR為第一層穩(wěn)性衡準(zhǔn)值。關(guān)于RPR，目前提出以下2種方案。

1) 方案1

RPR=0.5

(2)

2) 方案2

RPR=

(3)

(4)

式(4)中：D為型深；d為考慮載況的吃水；V為考慮載況的排水體積；VD為吃水達(dá)到型深D時(shí)的排水體積；AW為吃水為d時(shí)的水線面面積。

(5)

(6)

(7)

式(5)～式(7)中：IH為吃水為dH時(shí)的水線面慣性矩；IL為吃水為dL時(shí)的水線面慣性矩；dfull為滿載吃水；SW為波陡，取0.016 7，根據(jù)不同水域的波浪散射表得到。

當(dāng)不滿足式(4)時(shí)，ΔhGM可按式(8)計(jì)算。

(8)

式(8)中：hGMmax和hGMmin分別為船舶在波長(zhǎng)λ=L，波高h(yuǎn)=LSW的規(guī)則波中，當(dāng)波峰在船舶重心縱向位置及其前后每間隔0.1L共10個(gè)船波相對(duì)位置處時(shí)，初穩(wěn)性高的最大值與最小值。[3]

4.1.2船舶操縱性及操縱方法

4.1.2.1 船舶操縱性

對(duì)于一艘特定船舶，經(jīng)過(guò)參數(shù)橫搖的第一層穩(wěn)性衡準(zhǔn)評(píng)估可得知該船是否符合參數(shù)橫搖的設(shè)計(jì)要求，駕駛員應(yīng)了解參數(shù)橫搖第一層穩(wěn)性衡準(zhǔn)評(píng)估機(jī)理，掌握船舶的操縱特性，不應(yīng)簡(jiǎn)單地認(rèn)為通過(guò)參數(shù)橫搖第一層穩(wěn)性衡準(zhǔn)評(píng)估的船舶就一定不會(huì)發(fā)生參數(shù)橫搖，理由是式(1)是對(duì)參數(shù)橫搖第一層穩(wěn)性衡準(zhǔn)的最低要求，且僅考慮方形系數(shù)和菱形系數(shù)等船型參數(shù)，未單獨(dú)考慮船舶種類及船長(zhǎng)、船寬、吃水等參數(shù)。不同種類及不同船型的船舶對(duì)參數(shù)橫搖的敏感程度是不同的，從事故統(tǒng)計(jì)分析上看：大部分集裝箱船和滾裝船受參數(shù)橫搖的影響較明顯，且衡準(zhǔn)結(jié)果受船舶裝載狀況和波陡的影響較大；相對(duì)的，散貨船和油船不易發(fā)生參數(shù)橫搖。[2]

4.1.2.2 船舶操縱方法

① 通過(guò)貨物配積載來(lái)滿足參數(shù)橫搖衡準(zhǔn)要求。由式(1)可知，增大船舶的初穩(wěn)性高度hGM可減小ΔhGM與hGM的比值，更滿足衡準(zhǔn)要求，從而有效避免參數(shù)橫搖的發(fā)生。因此，在進(jìn)行貨物配積載時(shí)，駕駛員可通過(guò)調(diào)整貨物裝載位置及其質(zhì)量來(lái)調(diào)整hGM值，并減小ΔhGM與hGM的比值，降低船舶發(fā)生參數(shù)橫搖的可能性。此外，為防止貨物受波浪影響而發(fā)生移位，船舶應(yīng)加強(qiáng)貨物系固。

② 通過(guò)改變航向和/或航速來(lái)滿足波浪條件下的參數(shù)橫搖衡準(zhǔn)要求。對(duì)于幾何形狀垂向變化較大的船舶，其在頂浪航行時(shí)往往伴隨著明顯的垂蕩和縱搖運(yùn)動(dòng)，使船舶吃水在一定范圍內(nèi)不斷變化，最終導(dǎo)致船舶穩(wěn)性變差。因此，在波浪中操縱船舶時(shí)，通常應(yīng)采取改變航向和/或航速的方法來(lái)調(diào)整船舶與波浪的遭遇角度及遭遇周期。當(dāng)遇到橫浪時(shí)，可通過(guò)改變航向和/或航速來(lái)調(diào)整波浪遭遇周期，從而減輕橫搖；當(dāng)遇到縱浪時(shí)，改變航向能在一定程度上減小縱搖，但會(huì)加大橫搖和垂蕩，因此應(yīng)改變航速以調(diào)整波浪遭遇周期，使船舶避開(kāi)次級(jí)諧搖區(qū)。

4.2純穩(wěn)性喪失

純穩(wěn)性喪失是指船舶隨浪航行過(guò)程中，當(dāng)波速與航速相近、波峰運(yùn)動(dòng)到舯部時(shí)，穩(wěn)性大幅下降，導(dǎo)致船舶出現(xiàn)傾斜、甚至傾覆的現(xiàn)象。

4.2.1穩(wěn)性衡準(zhǔn)評(píng)估

當(dāng)船舶滿足以下條件時(shí)，認(rèn)為其不易發(fā)生純穩(wěn)性喪失。

hGMmin>RPLA

(9)

式(9)中：RPLA=0.05 m；hGMmin為波浪中船舶最小穩(wěn)性高。

若滿足式(4)，則hGMmin可根據(jù)式(10)進(jìn)行計(jì)算。

(10)

式(10)中：KB為浮心高度；IL為水線面慣性矩；V為排水體積；KG為重心高度。

若不滿足式(4)，則進(jìn)一步采用第二層穩(wěn)性衡準(zhǔn)方法計(jì)算hGMmin并進(jìn)行衡準(zhǔn)核算。

4.2.2船舶操縱性及操縱方法

4.2.2.1 船舶操縱性

由于現(xiàn)行的第一代穩(wěn)性衡準(zhǔn)規(guī)則未涉及縱浪狀態(tài)下的船舶穩(wěn)性衡準(zhǔn)問(wèn)題，因此駕駛員易忽視艉部來(lái)浪對(duì)船舶穩(wěn)性的影響，對(duì)船舶隨浪航行的危險(xiǎn)性認(rèn)識(shí)不足，通常只認(rèn)為橫風(fēng)、橫浪是影響船舶穩(wěn)性的最危險(xiǎn)因素，從而未對(duì)船舶服務(wù)航速加以控制，導(dǎo)致純穩(wěn)性喪失而發(fā)生傾覆事故。

隨浪航行對(duì)船舶穩(wěn)性的影響有可能大于橫風(fēng)橫浪航行，尤其是當(dāng)波長(zhǎng)近似等于船長(zhǎng)、波速近似等于船速，且波峰位于舯部時(shí)，船體浸水面積下降明顯，導(dǎo)致船舶穩(wěn)性大幅度降低。

4.2.2.2 船舶操縱方法

在隨浪中，船舶初穩(wěn)性高度的降幅可達(dá)0.3～1.0 m。一般情況下，一艘滿載雜貨船的初穩(wěn)性高度為0.3～0.5 m，一艘滿載超級(jí)油船的初穩(wěn)性高度為0.3～1.0 m。[4]在隨浪航行狀態(tài)下，船舶最小穩(wěn)性高度可能為負(fù)值，從而不能滿足第一層穩(wěn)性衡準(zhǔn)的要求。在操縱船舶時(shí)，應(yīng)避免隨浪航行，尤其是當(dāng)艉部來(lái)浪較大時(shí)。當(dāng)船舶在隨浪狀態(tài)下航行時(shí)，可通過(guò)改變航向和/或航速來(lái)改變船舶與波浪的遭遇角度及相對(duì)速度，從而緩解初穩(wěn)性高度的降低。

由式(10)可知，同時(shí)采取調(diào)整貨物重心高度和調(diào)整壓載水等措施確保最小穩(wěn)性高度>0.05 m，可更有效地避免因純穩(wěn)性喪失而發(fā)生船舶傾覆事故。

在隨浪中，按第一代穩(wěn)性規(guī)則設(shè)計(jì)的船舶可能使1個(gè)或多個(gè)穩(wěn)性指標(biāo)小于要求值，應(yīng)引起注意。

4.3癱船穩(wěn)性

癱船穩(wěn)性是船舶在風(fēng)浪中航行時(shí)由于主機(jī)故障導(dǎo)致動(dòng)力喪失，在自由漂浮狀態(tài)下發(fā)生共振橫搖(甚至傾覆)的穩(wěn)性失效模式。在這種情形下，當(dāng)船舶漂移至橫浪狀態(tài)時(shí)是最危險(xiǎn)的。

4.3.1穩(wěn)性衡準(zhǔn)評(píng)估

第二代完整穩(wěn)性第一層穩(wěn)性衡準(zhǔn)基本上采取《2008年國(guó)際完整穩(wěn)性規(guī)則》中的氣象衡準(zhǔn)條件，只是對(duì)波浪條件作出適當(dāng)?shù)男薷?，擴(kuò)展波陡表。

癱船穩(wěn)性第一層穩(wěn)性衡準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)為

式(11)和式(12)中：φ0為船舶在定常風(fēng)作用下的橫傾角；φjb為甲板邊緣進(jìn)水角；b和a分別為非定常風(fēng)作用力臂與復(fù)原力臂GZ曲線所圍不同部分的面積(見(jiàn)圖1)。

圖1 GZ曲線下面積b和面積a示意

4.3.2船舶操縱性及操縱方法

4.3.2.1 船舶操縱性

《2008年國(guó)際完整穩(wěn)性規(guī)則》中的氣象衡準(zhǔn)是指船舶在橫風(fēng)、橫浪中失去動(dòng)力的情況下向下風(fēng)舷橫傾一定的角度，在該橫傾角下受波浪的影響發(fā)生諧搖的衡準(zhǔn)。在進(jìn)行衡準(zhǔn)計(jì)算時(shí)，只考慮風(fēng)壓的影響，忽略橫傾狀態(tài)下波浪對(duì)船舶諧搖的作用。第二代穩(wěn)性衡準(zhǔn)在考慮橫風(fēng)影響的基礎(chǔ)上同時(shí)考慮橫傾中的船舶受波浪諧搖的影響，穩(wěn)性衡準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)更高。

4.3.2.2 船舶操縱方法

船舶在橫風(fēng)、橫浪中航行時(shí)，駕駛員易對(duì)氣象衡準(zhǔn)產(chǎn)生錯(cuò)誤的理解，將船舶氣象衡準(zhǔn)簡(jiǎn)單地理解為船舶的抗風(fēng)等級(jí)，而忽略橫風(fēng)、橫浪條件下波浪致使船舶產(chǎn)生諧搖的情況。因此，船舶在橫風(fēng)、橫浪中航行時(shí)，不應(yīng)過(guò)高地估計(jì)抗風(fēng)浪等級(jí)，在重點(diǎn)考慮船舶的抗風(fēng)等級(jí)和抗風(fēng)能力的同時(shí)，考慮船舶橫傾時(shí)風(fēng)浪致使船舶發(fā)生諧搖帶來(lái)的影響。

當(dāng)船舶出現(xiàn)過(guò)度橫搖、癱船穩(wěn)性衡準(zhǔn)要求可能難以滿足的問(wèn)題時(shí)，動(dòng)力喪失，無(wú)法采取改變航速、航向等措施，在某種程度上失去了抵抗風(fēng)浪的能力，駕駛員應(yīng)積極進(jìn)行自救，避免因癱船穩(wěn)性喪失而發(fā)生傾覆事故。可采取的自救措施主要包括：

① 通過(guò)采取加壓載水(裝載條件允許時(shí))、拋甲板貨等措施降低船舶重心，減小受風(fēng)面積；

② 若船舶所處水域的水深適于錨泊，則可拋錨，利用錨泊力控制船舶的航向，減小風(fēng)壓角；

③ 當(dāng)大風(fēng)浪持續(xù)、船舶橫搖幅度過(guò)大且可能進(jìn)一步增大時(shí)，駕駛員立即發(fā)出求救信號(hào)，并做好棄船準(zhǔn)備。

4.4騎浪/橫甩

騎浪是船舶發(fā)生橫甩的征兆，是指船舶在風(fēng)浪中以不同于波速的航速隨浪航行時(shí)，受波浪的影響，逐漸被其捕獲，受到的阻力、縱向波浪力和推力在航速等于波速時(shí)達(dá)到動(dòng)力平衡的狀態(tài)；橫甩是指船舶在隨浪中高速航行時(shí)因突然失去航向保持能力而突然轉(zhuǎn)向，并伴有劇烈的艏搖，即使操反向最大舵角也不足以改變航向的現(xiàn)象。

4.4.1穩(wěn)性衡準(zhǔn)評(píng)估

當(dāng)船舶滿足式(13)時(shí)，認(rèn)為該船不易發(fā)生騎浪/橫甩。[5]

Fr﹤0.3 orLBP﹥200 m

(13)

式(13)中：Fr為船舶傅汝德數(shù)；LBP為船舶垂線間長(zhǎng)。Fr的計(jì)算式為

(14)

式(14)中：Vs為船舶服務(wù)航速；g為重力加速度；L為船舶垂線間長(zhǎng)。

4.4.2船舶操縱性及操縱方法

4.4.2.1 船舶操縱性

根據(jù)騎浪/橫甩穩(wěn)性衡準(zhǔn)原理，船長(zhǎng)>200 m的船舶發(fā)生騎浪/橫甩的可能性較小，但在一定航速或一定波長(zhǎng)條件下仍有發(fā)生的可能性；船長(zhǎng)<200 m的船舶則相對(duì)易發(fā)生騎浪/橫甩現(xiàn)象。縱觀船舶騎浪/橫甩事故可發(fā)現(xiàn)，大部分此類事故都發(fā)生在船長(zhǎng)較小且航速較高的船舶上，其中航速過(guò)高是主要原因。

4.4.2.2 船舶操縱方法

根據(jù)騎浪/橫甩第一層穩(wěn)性衡準(zhǔn)基本原理，駕駛員在隨浪中航行時(shí)，應(yīng)注意船長(zhǎng)、航速和波長(zhǎng)等3個(gè)要素，考慮到船舶垂線間長(zhǎng)LBP是固定值，當(dāng)判斷可能產(chǎn)生橫甩現(xiàn)象時(shí)，可通過(guò)降低航速來(lái)減小Fr，保證Fr<0.3，避免船舶發(fā)生橫甩事故。此外，騎浪發(fā)生在隨浪航行狀態(tài)下，駕駛員在操船時(shí)可通過(guò)改變航向來(lái)避免船舶隨浪航行，改變隨浪航行狀態(tài)，以進(jìn)一步避免船舶發(fā)生橫甩事故。船長(zhǎng)>200 m的船舶不應(yīng)過(guò)分自信不會(huì)發(fā)生騎浪/橫甩事故，而應(yīng)根據(jù)波浪實(shí)際情況采取相應(yīng)的措施。

船舶在海上航行時(shí)，波浪要素可從相關(guān)氣象資料和航路指南中查閱得到。大洋中的波浪最易出現(xiàn)的波長(zhǎng)通常為80～140 m，波浪周期通常為7～10 s，波浪傾斜角一般為1/40～1/30。大洋中航行的船舶應(yīng)根據(jù)其波浪特點(diǎn)，結(jié)合船舶長(zhǎng)度，適當(dāng)調(diào)整航向和/或航速，以避免騎浪/橫甩事故發(fā)生。

4.5過(guò)度加速度

過(guò)度加速度是指由于船舶初始GM值過(guò)大，當(dāng)船舶在波浪中航行時(shí)，因橫搖而產(chǎn)生過(guò)大的橫向加速度的情況。船舶產(chǎn)生過(guò)度加速度時(shí)易導(dǎo)致貨物移動(dòng)或人員遭到傷害，甚至發(fā)生傾覆事故。

4.5.1穩(wěn)性衡準(zhǔn)評(píng)估

若滿足式(15)，則認(rèn)為船舶容易產(chǎn)生過(guò)度加速度。

(15)

式(15)中：φ為橫搖幅值，rad，可利用式(16)計(jì)算；kL為垂向加速度和艏搖運(yùn)動(dòng)的影響系數(shù)；g為重力加速度；H為橫搖軸到駕駛甲板的高度(假設(shè)橫搖軸位于水線與中心之間的平均高度處)，m；Tr為船舶橫搖固有周期，s；R1為衡準(zhǔn)值，目前取值為8.9 m/s2。

(16)

式(16)中:r為等效波傾系數(shù)；s為波陡系數(shù)；δφ為自由橫搖曲線衰減系數(shù)。[6]

4.5.2船舶操縱性及操縱方法

4.5.2.1 船舶操縱性

根據(jù)過(guò)度加速度穩(wěn)性衡準(zhǔn)的基本原理，當(dāng)船舶初始hGM值過(guò)大時(shí)，在波浪中處于橫搖狀態(tài)航行時(shí)易產(chǎn)生過(guò)大的橫向加速度，此時(shí)船舶固有搖擺周期Tr較小，船舶左右橫搖的頻率較高，其后果是易產(chǎn)生貨物移動(dòng)和帶來(lái)人員傷害。

4.5.2.2 船舶操縱方法

目前對(duì)過(guò)度加速度的研究較少，船舶駕駛員可能對(duì)橫向加速度的理解不夠，實(shí)際航行時(shí)也較難判斷船舶是否處于過(guò)度加速度狀態(tài)。根據(jù)研究，航速較低的船舶易產(chǎn)生過(guò)度加速度，且在橫浪狀態(tài)下更易產(chǎn)生。為防止產(chǎn)生過(guò)度加速度，在進(jìn)行貨物配積載時(shí)，應(yīng)合理調(diào)配貨物的位置和質(zhì)量，最終保證船舶具有合適的初始hGM值，通過(guò)控制hGM值，從根源上防止過(guò)度加速度的產(chǎn)生。

船舶在橫浪中航行時(shí)，一旦發(fā)現(xiàn)可能產(chǎn)生過(guò)度加速度，在條件允許的情況下，可通過(guò)適當(dāng)調(diào)配壓載水來(lái)使hGM值適度變小，從而降低產(chǎn)生過(guò)度加速度的可能性。此外，還可采用適度增大航速的方法來(lái)減小船舶橫搖加速度。在大風(fēng)浪來(lái)臨之前，應(yīng)加強(qiáng)檢查和加固貨物綁扎。為防止過(guò)度加速度使貨物發(fā)生移位和人員受到傷害，應(yīng)加強(qiáng)貨物系固，并通知有關(guān)人員注意防止受到傷害。

從衡準(zhǔn)原理上看，參數(shù)橫搖和過(guò)度加速度是因hGM值過(guò)小及過(guò)大而相互矛盾的2個(gè)穩(wěn)性失效模式。因此，駕駛員在進(jìn)行貨物配積載、加載壓載水作業(yè)時(shí)，應(yīng)充分考慮船舶所在航區(qū)的風(fēng)浪情況及可能遭遇的波浪周期，及時(shí)調(diào)整船舶的hGM值，使其處于適當(dāng)狀態(tài)，以防止參數(shù)橫搖和過(guò)度加速度的產(chǎn)生。

5 結(jié)束語(yǔ)

船舶第二代完整穩(wěn)性衡準(zhǔn)將更多地考慮船舶在風(fēng)浪中的動(dòng)穩(wěn)性，分析和理解船舶動(dòng)穩(wěn)性衡準(zhǔn)機(jī)理對(duì)分析船舶操縱性和指導(dǎo)駕駛員操縱船舶具有重要意義。在理解動(dòng)穩(wěn)性衡準(zhǔn)機(jī)理時(shí)，應(yīng)注意5種穩(wěn)性失效模式是相互關(guān)聯(lián)的，駕駛員在操縱船舶時(shí)應(yīng)充分考慮各種穩(wěn)性失效模式的發(fā)生條件，運(yùn)用良好船藝，保持良好的動(dòng)穩(wěn)性狀態(tài)，降低船舶在風(fēng)浪中航行時(shí)的傾覆風(fēng)險(xiǎn)，保障船舶的航行安全。

[1] 顧民，魯江，王志榮.IMO第二代完整穩(wěn)性衡準(zhǔn)評(píng)估技術(shù)進(jìn)展綜述[J].中國(guó)造船，2014(4):185-193.

[2] 付麗麗，鄭雙燕，柳衛(wèi)東，等.第二代完整穩(wěn)性參數(shù)橫搖薄弱性衡準(zhǔn)發(fā)展綜述[J].中國(guó)造船，2015(S1):217-223.

[3] 徐光龍.船舶參數(shù)橫搖薄弱性衡準(zhǔn)研究[D].大連：大連理工大學(xué)，2014.

[4] 沈玉如.船舶貨運(yùn)[M].大連：大連海事大學(xué)出版社，2007：44-55.

[5] IMO. Report of the Working Group (Part 1) [R]SLF 55/WP3.2013.

[6] IMO. Development of Second Generation Intact Stability Criteria [R]SDC 1/INF.8.2014.

MechanismofSecondGenerationIntactStabilityandTechnicalofShipManeuvering

WENGJianjun1,2，ZHENGDao1，ZHANGJing1,2

(1. School of Navigation, Wuhan University of Technology, Wuhan 430063, China; 2. Hubei Key Laboratory of Inland Shipping Technology, Wuhan 430063, China)

The limitations and development trend of the first generation intact stability rules are analyzed. The mechanism of the second generation intact stability of ships is discussed. The discussion covers evaluation methods for the five stability failure modes (parametric rolling, pure loss of stability, dead ship stability, surf-riding/broaching, excessive acceleration) and the connection between them and the static/dynamic parameters used in last generation. The ship maneuverability based on the second generation intact stability is analyzed and the technology and measures of maneuvering without violating the new stability rules are proposed.

second generation intact stability; vulnerability criteria; ship maneuvering; safety

U661.3；U675.9

A