騎浪橫甩薄弱性衡準(zhǔn)技術(shù)的發(fā)展

唐 哲

（中國(guó)船級(jí)社 青島分社，山東青島 266071）

騎浪橫甩薄弱性衡準(zhǔn)技術(shù)的發(fā)展

唐 哲

（中國(guó)船級(jí)社 青島分社，山東青島 266071）

介紹了騎浪/橫甩的物理背景，以及騎浪/橫甩第一層和第二層薄弱性衡準(zhǔn)發(fā)展過(guò)程，并分析了騎浪橫甩薄弱性衡準(zhǔn)計(jì)算方法及初步衡準(zhǔn)，掌握騎浪橫甩薄弱性衡準(zhǔn)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，有助于騎浪/橫甩相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的研究，為船舶第二代完整穩(wěn)性的技術(shù)發(fā)展奠定基礎(chǔ)。

騎浪；橫甩；衡準(zhǔn)；薄弱性；技術(shù)；船舶

0 引言

船舶在隨浪或斜浪中航行時(shí)，波浪從船尾方向接近船舶，追上船舶后，加速船舶，使船舶的航行速度與波浪的傳播速度相同，這樣波形相對(duì)于船舶保持不變，稱(chēng)之為騎浪現(xiàn)象。對(duì)于航向不穩(wěn)定的船舶，有可能突然偏轉(zhuǎn)，船舶將失去控制發(fā)生大幅度轉(zhuǎn)艏運(yùn)動(dòng)，同時(shí)伴隨大角度的橫搖運(yùn)動(dòng)，劇烈情況下將導(dǎo)致船舶傾覆，這就是船舶在波浪中運(yùn)動(dòng)發(fā)生橫甩現(xiàn)象。因此，研究橫甩的運(yùn)動(dòng)機(jī)理，指導(dǎo)船舶設(shè)計(jì)，對(duì)于船舶的安全航行具有重要意義。

1 騎浪/橫甩的物理背景

通常情況下，船舶在波浪中航行，發(fā)生橫甩現(xiàn)象主要有兩種可能：一種是由騎浪產(chǎn)生的橫甩，一般發(fā)生在高速情況下；另一種是航向穩(wěn)定性較差的船舶在尾浪或尾斜浪中遭受連續(xù)抨擊造成橫甩，這時(shí)可以通過(guò)合理操縱避免，這種情況下發(fā)生的橫甩現(xiàn)象在低速和高速下都有可能發(fā)生。第52屆SLF（漁船穩(wěn)性與裝載線）會(huì)議明確了由騎浪產(chǎn)生橫甩這種模式作為IMO第二代完整穩(wěn)性橫甩失效模式的研究目標(biāo)。所以，騎浪作為發(fā)生橫甩的先兆，可以將其發(fā)生的可能性作為發(fā)生橫甩現(xiàn)象的薄弱性衡準(zhǔn)的判定依據(jù)。

Vadim Belenky[1]給出了發(fā)生騎浪需要滿(mǎn)足的三個(gè)條件：1）波長(zhǎng)約為船長(zhǎng)的0.75~2.0；2）船舶的航行速度約為波浪傳播速度的75%（與波陡有關(guān)）；3）船舶不能太大（因?yàn)榉喜ㄩL(zhǎng)條件的波浪，其速度遠(yuǎn)大于船速，而且符合波長(zhǎng)和波陡條件的波浪比較罕見(jiàn)）。

2 “騎浪/橫甩”薄弱性衡準(zhǔn)發(fā)展過(guò)程

2.1 第二代完整穩(wěn)性薄弱性橫準(zhǔn)基本框架

第51屆SLF會(huì)議（漁船穩(wěn)性與裝載線）上，啟動(dòng)了“新一代完整穩(wěn)性衡準(zhǔn)”的制定工作，提出了新一代完整穩(wěn)性衡準(zhǔn)的發(fā)展框架和目的，定義了新一代完整穩(wěn)性衡準(zhǔn)中所用的術(shù)語(yǔ)，并成立了工作組和通訊組，分別負(fù)責(zé)會(huì)議期間和閉會(huì)期間新一代完整穩(wěn)性衡準(zhǔn)的提案收集、討論、樣船驗(yàn)證和制定。

在會(huì)議上提出制定新一代完整穩(wěn)性衡準(zhǔn)的目的是建立船舶設(shè)計(jì)的最低標(biāo)準(zhǔn)，適用于非常規(guī)類(lèi)型船舶主要的動(dòng)穩(wěn)性失效模式，新一代完整穩(wěn)性衡準(zhǔn)將作為2008 IS Code的補(bǔ)充和替代方法。會(huì)議上對(duì)兩種穩(wěn)性失效模式給出了定義：船舶傾覆導(dǎo)致的完全穩(wěn)性失效和過(guò)度橫搖角度或加速度導(dǎo)致的部分穩(wěn)性失效。同時(shí)給出了新一代完整穩(wěn)性衡準(zhǔn)涉及的三種主要穩(wěn)性失效模式：1）復(fù)原力臂變化導(dǎo)致的穩(wěn)性失效模式，如參數(shù)橫搖和純穩(wěn)性喪失；2）SOLAS公約定義下的癱船穩(wěn)性；3）波浪中與操縱有關(guān)的穩(wěn)性失效，如橫甩。

第52屆SLF會(huì)議上，日本、意大利、美國(guó)和德國(guó)等國(guó)家對(duì)純穩(wěn)性喪失、參數(shù)橫搖、癱船穩(wěn)性和騎浪/橫甩 4種穩(wěn)性失效模式提出相應(yīng)的計(jì)算方法和衡準(zhǔn)，并給出算例和對(duì)比分析，其中部分計(jì)算結(jié)果與模型試驗(yàn)進(jìn)行比較和驗(yàn)證。在本次會(huì)議上，明確了采用三層結(jié)構(gòu)作為新一代完整穩(wěn)性的衡準(zhǔn)技術(shù)框架，即采用第一層薄弱性衡準(zhǔn)、第二層薄弱性衡準(zhǔn)和穩(wěn)性直接評(píng)估。三層評(píng)估方法的計(jì)算復(fù)雜性依次遞增，評(píng)估的準(zhǔn)確性也依次提高。只有第一層薄弱性衡準(zhǔn)沒(méi)有通過(guò)的情況下，才要進(jìn)行第二層薄弱性衡準(zhǔn)的評(píng)估；在無(wú)法通過(guò)第二層薄弱性衡準(zhǔn)時(shí)，進(jìn)行第三層評(píng)估--穩(wěn)性直接評(píng)估。在三層衡準(zhǔn)評(píng)估都無(wú)法通過(guò)時(shí)，必須對(duì)船型進(jìn)行重新設(shè)計(jì)或制定航行操作指南，以避免穩(wěn)性失效的發(fā)生。

2.2 騎浪/橫甩薄弱性橫準(zhǔn)技術(shù)發(fā)展

第53屆SLF會(huì)議上，日本和美國(guó)共同提出了發(fā)生騎浪的第一層和第二層薄弱性衡準(zhǔn)[2]。

1）騎浪/橫甩第一層薄弱性衡準(zhǔn)

如果船舶滿(mǎn)足以下條件，則認(rèn)為船舶不易發(fā)生騎浪/橫甩：

Fn<0.3或者LBP>200m

2）騎浪/橫甩第二層薄弱性衡準(zhǔn)

日本和美國(guó)針對(duì)于不規(guī)則波中的船舶運(yùn)動(dòng)，提出了騎浪/橫甩第二層薄弱性衡準(zhǔn)，如下式所示。

其中：W2(HS, TZ)為短期海況的權(quán)重因子，是有義波高HS和平均跨零周期TZ的函數(shù)；Wij為波浪統(tǒng)計(jì)權(quán)重，與波陡(H/λ)i和波長(zhǎng)與船長(zhǎng)比(λ/LBP)i相關(guān)，通過(guò)計(jì)算局部波陡和波長(zhǎng)的節(jié)點(diǎn)概率分布獲得。

第55屆SLF會(huì)議上，日本和美國(guó)分別提出了騎浪/橫甩第二層薄弱性衡準(zhǔn)計(jì)算方法和衡準(zhǔn)值。日本首先給出了騎浪/橫甩第二層薄弱性衡準(zhǔn)計(jì)算方法，然后針對(duì)6艘不同類(lèi)型的船舶開(kāi)展了騎浪橫甩第二層薄弱衡準(zhǔn)樣本計(jì)算[3]。

1）開(kāi)展騎浪/橫甩第二層薄弱性衡準(zhǔn)計(jì)算需要具備以下資料：（1）最大設(shè)計(jì)航速；（2）船舶的垂線間長(zhǎng)；（3）船舶重量；（4）方形系數(shù)；（5）螺旋槳直徑；（6）浮心縱向位置；（7）縱蕩運(yùn)動(dòng)附加質(zhì)量；（8）不同航速下的靜水阻力；（9）螺旋槳推力減額，進(jìn)速系數(shù)和推力系數(shù)。

2）波浪誘導(dǎo)的縱向力計(jì)算方法如下：

其中：ρ為海水密度；g為重力加速度，g=9.8m/s；ζa為波幅；λ為波長(zhǎng)；k為波數(shù)，k=2π/λ；AE為船尾；FE為船首；經(jīng)驗(yàn)系數(shù)μx用來(lái)考慮繞射影響，計(jì)算公式為：Cm≥0.9時(shí)，μx=1.46Cb-0.05；Cm<0.9時(shí)，μx=1.06Cb-0.05。

3）阻力系數(shù)ri和推力系數(shù)Ki采用最小二乘法求解：

4）發(fā)生騎浪所要求的臨界螺旋槳轉(zhuǎn)數(shù)，n采用以下計(jì)算方法：

5）靜水中船舶航速，通過(guò)靜水阻力與推力相等進(jìn)行求解：

6）發(fā)生騎浪的短期概率計(jì)算方法如下：

其中：

S(H,T)表示平面(H,T)中u>u0的區(qū)域。這里，積分范圍：

7）發(fā)生騎浪的長(zhǎng)期概率計(jì)算方法如下：

其中， f( H1/3,T01)是北大西洋有義波高和平均波浪周期的聯(lián)合概率密度函數(shù)。

8）騎浪/橫甩第二層薄弱性衡準(zhǔn)值：

日本提出的第二層薄弱性衡準(zhǔn)值為 10-4，如果Pan>10-4，表明發(fā)生騎浪/橫甩的概率較大，不滿(mǎn)足第二層薄弱性衡準(zhǔn)。

第55屆SLF會(huì)議上，美國(guó)也提出了騎浪/橫甩第二層薄弱性衡準(zhǔn)計(jì)算方法和衡準(zhǔn)值。美國(guó)以第53屆 SLF會(huì)議上美國(guó)和日本共同提出的騎浪/橫甩第二層薄弱性衡準(zhǔn)計(jì)算方法為基礎(chǔ)，提出第二層薄弱性衡準(zhǔn)值，并進(jìn)行樣船驗(yàn)算[4]。

如果計(jì)算值CR>r，則認(rèn)為船舶易發(fā)生騎浪/橫甩：

其中：W2為長(zhǎng)期統(tǒng)計(jì)權(quán)重，由波浪分布表獲得；Wij為短期統(tǒng)計(jì)權(quán)重，與波高和波長(zhǎng)有關(guān)；Crij為短期衡準(zhǔn)。

1）短期統(tǒng)計(jì)權(quán)重因子Wij

Wij是波長(zhǎng)為λi和波幅為aj的短期海況下的統(tǒng)計(jì)權(quán)重因子，通過(guò)計(jì)算短期海況下的節(jié)點(diǎn)概率分布獲得。換句話說(shuō)，海況條件由不同波幅和周期/波長(zhǎng)的波浪組成，并用給定的有義波高HS和平均跨零周期TZ描述，這些波幅和波長(zhǎng)通過(guò)雙參數(shù)波能譜控制。為了獲得統(tǒng)計(jì)權(quán)重因子 Wij，按波長(zhǎng)和波幅（Nλ和Na）劃分波能譜，計(jì)算每組波長(zhǎng)和波幅對(duì)應(yīng)的波浪概率。

雙參數(shù)波能譜：

其中：ω為波頻；HS為有義波高；T1為平均頻率相應(yīng)的周期，T1=0.773Tm，Tm為波能譜的模態(tài)周期，。

波能譜可以確定波幅和波頻的短期節(jié)點(diǎn)分布（Longuet-Higgins，1957）：

2）短期衡準(zhǔn)Crij

短期衡準(zhǔn)Crij的計(jì)算公式如下：

其中，F(xiàn)nTR是騎浪臨界傅汝德數(shù)，使用Melnikov方法計(jì)算騎浪臨界值。

3）標(biāo)準(zhǔn)值r

騎浪/橫甩引起的穩(wěn)性失效具有短期概率的特性。也就是說(shuō)，如果船舶遭遇能夠引起騎浪的波浪條件，穩(wěn)性失效可能發(fā)生也可能不發(fā)生，是否發(fā)生取決于騎浪持續(xù)的時(shí)間、航向和航速等。短期衡準(zhǔn)Crij中假定：如果船舶遭遇能夠引起騎浪的波浪條件，穩(wěn)性失效一定發(fā)生。既然實(shí)際的穩(wěn)性失效具有概率特性，說(shuō)明衡準(zhǔn)Crij是保守的。

短期衡準(zhǔn)Crij的保守性導(dǎo)致它是一個(gè)確定性函數(shù)，這個(gè)函數(shù)可以作為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，用來(lái)篩選能夠引起騎浪發(fā)生的波浪。因此，衡準(zhǔn)值CR也是穩(wěn)性失效的統(tǒng)計(jì)頻率。將統(tǒng)計(jì)頻率CR=0.05作為騎浪/橫甩第二層薄弱性衡準(zhǔn)的初始標(biāo)準(zhǔn)。在統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)中，0.05通常作為確定小概率事件的標(biāo)準(zhǔn)。相應(yīng)的，概率95%是大多數(shù)工程計(jì)算的實(shí)際標(biāo)準(zhǔn)置信概率。

由于日本和美國(guó)提出的騎浪/橫甩第二層薄弱性衡準(zhǔn)的橫準(zhǔn)值存在差異，美國(guó)和日本經(jīng)過(guò)研究和討論，于2013年10月又聯(lián)合提出了騎浪/橫甩第一層和第二層薄弱性衡準(zhǔn)計(jì)算方法和衡準(zhǔn)值[5]。在最新提交的聯(lián)合提案中，騎浪/橫甩第一層薄弱性衡準(zhǔn)采用第53屆提出的方法。騎浪/橫甩第二層薄弱性衡準(zhǔn)采用日本和美國(guó)聯(lián)合提出的方法。即：如果C<10-4，則認(rèn)為不會(huì)發(fā)生騎浪/橫甩。

其中：W2(HS,TZ)短期海況的權(quán)重因子，是有義波高HS和平均跨零周期TZ的函數(shù)；Wij為波浪統(tǒng)計(jì)權(quán)重，與波陡(H/λ).i和波長(zhǎng)與船長(zhǎng)比(λ/LBP)i相關(guān)，通過(guò)計(jì)算局部波陡和波長(zhǎng)的節(jié)點(diǎn)概率分布獲得，且N=100，Na=80；

3 結(jié)束語(yǔ)

本文給出了騎浪/橫甩的物理背景以及騎浪/橫甩第一層和第二層薄弱性衡準(zhǔn)發(fā)展過(guò)程。給出了騎浪橫甩薄弱性衡準(zhǔn)計(jì)算方法及初步衡準(zhǔn)。由于IMO漁船穩(wěn)性與裝載線將繼續(xù)討論騎浪/橫甩薄弱性衡準(zhǔn)第一層和第二層薄弱性衡準(zhǔn)，最終的薄弱性衡準(zhǔn)尚未確立。掌握騎浪橫甩薄弱性衡準(zhǔn)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，有助于騎浪/橫甩相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的研究，為船舶第二代完整穩(wěn)性的技術(shù)發(fā)展奠定基礎(chǔ)。

[1] Vadim Belenky, Christopher C, Bassler, et al. Development of Second Generation Intact Stability Criteria[R]. United States :Naval Surface Warfare Center Carderock Division, 2011.

[2] IMO. Levels 1 and 2 Vulnerability Criteria and Draft Specification for Direct Stability Assessment on the Matters Related to Manoeuvrability and Course Keeping Ability[C]// SLF 53/3/8. 2010.

[3] IMO.Sample Calculation Results of Draft Vulnerability Criteria for Broaching[C]// SLF 55/INF.15. 2012.

[4] IMO.Sample Calculations for Vulnerability Criteria on Surf-Riding, Level 2[C]// SLF 55/INF.15. 2012.

[5] Vulnerability Criteria for Broaching (US-JPN)[Z]. 2013.

Development of Surf-riding Broaching Vulnerability Criteria Technology

Tang Zhe
(Qingdao Branch, Chinese Classification Society, Shandong Qingdao 266071, China)

This article introduces the physical background and the vulnerability criterion development process for the first layer and the second layer of surf-riding/broaching. Also it analyzes the preliminary criteria and the vulnerability criteria method for calculating of surf-riding/broaching. Mastering the development state of this technology can be useful for the research of relative area, and would become the base for the second general criteria technology.

surf-riding; broaching; criteria; vulnerability; technology; ship

U661.2+2

A

1005-7560 (2014) 06-0009-04

唐哲（1980-），男，工程師，研究方向：船舶質(zhì)量檢驗(yàn)和船舶質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)制定。