水面艦船在風(fēng)浪作用下的航行性能綜合評(píng)價(jià)方法研究

周華偉 肖海松 何 秦 錢 浩

（中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院 上海200011）

引 言

大量案例表明，水面艦船在風(fēng)浪中的航行性能與其在靜水中的航行性能有很大差別。然而，根據(jù)全球主要海域的海浪統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，三、四、五級(jí)海況發(fā)生的概率要遠(yuǎn)大于一、二級(jí)海況。這表明，一艘水面艦船在全壽命周期作業(yè)任務(wù)內(nèi)，遭遇三級(jí)及以上海況的概率要遠(yuǎn)大于靜水中的概率。但是，當(dāng)前我國(guó)的艦船設(shè)計(jì)常以靜水中的航行性能作為考核指標(biāo)，而不夠重視風(fēng)浪中的相關(guān)性能指標(biāo)（如：快速性），這很容易造成設(shè)計(jì)的水面艦船在靜水中的航行性能優(yōu)良，而在風(fēng)浪中的航行性能卻差強(qiáng)人意。因此，評(píng)價(jià)水面艦船航行性能的優(yōu)劣，不僅要包含靜水中的航行性能指標(biāo)，還應(yīng)包含風(fēng)浪中的航行性能指標(biāo)。

另外，水面艦船在風(fēng)浪中的航行性能包含的內(nèi)容多、相關(guān)因素多、相互關(guān)系復(fù)雜，如何在綜合考慮各種影響因素的基礎(chǔ)上，構(gòu)建合理的評(píng)價(jià)方法，成為艦船設(shè)計(jì)人員必須研究和解決的一個(gè)重要問題。

目前，國(guó)內(nèi)水面艦船在風(fēng)浪中的航行性能綜合評(píng)價(jià)方法研究尚處于起步階段。楊寶璋［1］（1991）對(duì)風(fēng)浪中船舶性能對(duì)航速航向的影響進(jìn)行了研究，以風(fēng)浪中的航速、耐波性、穩(wěn)性、波浪載荷等為指標(biāo)建立評(píng)價(jià)方程，對(duì)其航行性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，用于指民航行中的船舶合理選擇航向和航速。楊松林［2］（2003）采用遺傳算法和模糊優(yōu)化方法，以靜水中快速性和操縱性為目標(biāo)進(jìn)行船型模糊綜合優(yōu)化并用于大型中速船的設(shè)計(jì)中。毛筱菲［3］（2005）采用模糊綜合評(píng)價(jià)等方法對(duì)船舶耐波性、操縱性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系開展研究，建立了評(píng)價(jià)指標(biāo)體系和評(píng)估方法。以上研究主要聚焦在艦船本身的快速性、耐波性、操縱性和穩(wěn)性底層指標(biāo)之間如何分配權(quán)重進(jìn)行綜合平衡，為水面艦船航行性能的綜合評(píng)價(jià)奠定了良好的基礎(chǔ)。但以上研究少有考慮風(fēng)浪環(huán)境的影響，也少有反映各項(xiàng)航行性能是如何影響主要作業(yè)工況作業(yè)率的，其底層指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)分配也嚴(yán)重依賴樣本數(shù)量，難以和工程應(yīng)用緊密結(jié)合。

為此，本文在以上學(xué)者成果的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步引入主要作業(yè)工況作業(yè)率與各航行性能之間的關(guān)系，從提高水面艦船在風(fēng)浪中作業(yè)率的角度入手，構(gòu)建水面艦船在風(fēng)浪作用下的航行性能綜合評(píng)價(jià)方法和模型，可用于水面艦船實(shí)戰(zhàn)功效評(píng)價(jià)，從而為水面艦船方案論證提供技術(shù)支持。

1 風(fēng)浪環(huán)境特征及發(fā)生概率分析

風(fēng)浪環(huán)境特征及發(fā)生概率與水面艦船的航行性能密切相關(guān)。由于風(fēng)浪環(huán)境是隨機(jī)發(fā)生的且各類風(fēng)浪環(huán)境發(fā)生的概率不等，在進(jìn)行艦船方案設(shè)計(jì)和評(píng)價(jià)時(shí)，如果采用最強(qiáng)的風(fēng)浪環(huán)境特征作為輸入，就有可能造成設(shè)計(jì)方案過強(qiáng)、代價(jià)過高，甚至失敗。因此，在進(jìn)行水面艦船航行性能綜合評(píng)價(jià)之前，有必要提前分析水面艦船各類任務(wù)工況所處的風(fēng)浪環(huán)境特征及其發(fā)生概率，并將其作為水面艦船航行性能綜合評(píng)價(jià)的環(huán)境條件。

1.1 風(fēng)浪環(huán)境特征分析

海洋波浪表面是隨機(jī)的、不規(guī)則的，且是隨時(shí)間變化的，不利于工程應(yīng)用。工程上常采用傅里葉變換的方法將海浪的時(shí)間序列轉(zhuǎn)換到頻域，以有義波高和波浪周期組成的譜密度公式來表示風(fēng)生浪數(shù)據(jù)。本文采用ITTC推薦的雙參數(shù)譜公式，如式（1）。

式中：H1/3為有義波高，m；T1為特征周期，s。

1.2 風(fēng)浪發(fā)生概率分析

特定海域的風(fēng)生浪有義波高和特征周期是以一定的概率發(fā)生的。根據(jù)《艦船通用規(guī)范》（2000）（以下簡(jiǎn)稱“通規(guī)”）第072.4.1.2.2條，將海況分為9個(gè)等級(jí)，本文以北太平洋為例，給出各浪級(jí)、譜峰周期及概率如下頁(yè)表1。

2 主要作業(yè)工況及相關(guān)因素、衡準(zhǔn)梳理

評(píng)價(jià)水面艦船航行性能的優(yōu)劣需全面涵蓋其作業(yè)工況，即從艦船的各任務(wù)剖面入手，系統(tǒng)地評(píng)價(jià)風(fēng)浪中的航行性能對(duì)每一項(xiàng)作業(yè)工況的影響。為便于研究，本文將水面艦船的作業(yè)工況簡(jiǎn)單歸納為：航行、人員作業(yè)和裝備作業(yè)，并認(rèn)為三種作業(yè)工況作業(yè)效率的重要程度一樣。

表1 北太平洋海浪年平均資料

在各作業(yè)工況中，由于穩(wěn)性直接關(guān)系到艦船的安全性，必須首先考慮，且需滿足“通規(guī)”053.4的相關(guān)要求，否則意味著方案失敗，得分為0。通常，穩(wěn)性衡準(zhǔn)主要包括初穩(wěn)性高和最大抗風(fēng)等級(jí)兩方面，具體如下：

（1）初穩(wěn)性高：GM＞h，其中，GM為初穩(wěn)性高，h需根據(jù)“通規(guī)”053.4.1.1.2.1中的相關(guān)規(guī)定確定。

（2）最大抗風(fēng)等級(jí)：U1＞U0，其中，U1為艦船所能承受的極限風(fēng)速，U0需根據(jù)“通規(guī)”053.4.1.1.1.7中的相關(guān)規(guī)定確定。

另外，與各作業(yè)工況相關(guān)的航行性能和衡準(zhǔn)如表2所示。

表2 作業(yè)工況、航行性能、衡準(zhǔn)對(duì)應(yīng)表

3 綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建

從各指標(biāo)對(duì)艦船的作業(yè)任務(wù)貢獻(xiàn)度出發(fā)，本文將以上航向性能相關(guān)的指標(biāo)分為三類：

3.1 與艦船航行安全相關(guān)的指標(biāo)

這類指標(biāo)直接關(guān)系到艦船的航行安全，必須優(yōu)先滿足。在此基礎(chǔ)上，才有必要進(jìn)一步評(píng)價(jià)，主要包括：穩(wěn)性中的初穩(wěn)性高和最大抗風(fēng)能力指標(biāo)。

由于這類指標(biāo)往往與其他指標(biāo)的影響方向相反（如初穩(wěn)性高增大，會(huì)造成搖擺周期減小以及搖擺幅度增大），因此，這類指標(biāo)應(yīng)控制在合理范圍內(nèi)，而非越大越好。

另外，由于目前風(fēng)浪中的穩(wěn)性理論計(jì)算方法還未在工程上成熟應(yīng)用，本文僅考慮 “通規(guī)”中的靜水穩(wěn)性高和風(fēng)浪中的最大抗風(fēng)能力指標(biāo)。

3.2 研制總要求明確規(guī)定的指標(biāo)

這類指標(biāo)也必須優(yōu)先滿足，否則，意味著方案失敗。包括：靜水中的最大航速、操縱性等。這類指標(biāo)應(yīng)控制在合理范圍內(nèi)，并不是越大越好。

另外，由于目前風(fēng)浪中的操縱性理論計(jì)算方法尚未成熟，本文僅考慮靜水中的操縱性指標(biāo)。

3.3 與作業(yè)效率相關(guān)的指標(biāo)

這類指標(biāo)直接影響艦船的各類作業(yè)效率，是衡量艦船設(shè)計(jì)方案優(yōu)劣的重要指標(biāo)。包括：風(fēng)浪中的期望航速百分?jǐn)?shù)、人員可作業(yè)率、裝備可作業(yè)率等。在滿足排水量、主尺度等邊界條件下，且滿足第一、二類指標(biāo)衡準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，這類指標(biāo)越大代表方案越好，評(píng)分越高。

基于以上分析，本文采用層次分析法，構(gòu)建了水面艦船在風(fēng)浪作用下的航行性能評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，如圖1所示。

圖1 水面艦船在風(fēng)浪中的航行性能評(píng)價(jià)指標(biāo)體系圖

4 綜合評(píng)價(jià)目標(biāo)函數(shù)構(gòu)建及計(jì)算方法

4.1 綜合評(píng)價(jià)流程

由于安全航行和研制總要求中的指標(biāo)必須優(yōu)先滿足，本文的水面艦船在風(fēng)浪中的航行性能綜合評(píng)價(jià)流程分兩步完成：

第一步安全航行和研制總要求中的指標(biāo)校核

主要是采用數(shù)值計(jì)算或模型試驗(yàn)的方法獲得各底層指標(biāo)值，再與“通規(guī)”中的衡準(zhǔn)值和研制總要求中的指標(biāo)作對(duì)比，僅需滿足即可，不參與評(píng)分。

第二步可作業(yè)率計(jì)算及綜合評(píng)價(jià)

主要是根據(jù)數(shù)值計(jì)算或模型試驗(yàn)的結(jié)果，計(jì)算航行、人員和裝備的可作業(yè)率，再進(jìn)行加權(quán)求和。求得的值越大，代表方案越優(yōu)。

4.2 綜合評(píng)價(jià)目標(biāo)函數(shù)構(gòu)建

在第二步中，本文采用的綜合評(píng)價(jià)目標(biāo)函數(shù)如式（2）：

式中：F1、F2和F3分別代表各浪級(jí)、航速、浪向下航行作業(yè)綜合評(píng)價(jià)值、人員作業(yè)的綜合評(píng)價(jià)值和裝備作業(yè)綜合評(píng)價(jià)值；w1，w2和w3分別為F1、F2和F3的權(quán)重系數(shù)。

4.3 各子函數(shù)計(jì)算方法

對(duì)于水面艦船在風(fēng)浪中的航行工況，其航行作業(yè)綜合評(píng)價(jià)值可用期望航速百分?jǐn)?shù)表示［5-6］，公式如式（3）：

式中：V0max代表靜水中的最大航速，kn；Hi（i=1，…，9）代表1～9級(jí)海況的波高，m；Phi代表北太平洋各浪級(jí)概率，詳見表1；θk（k=1，…，N）代表 0°～180°相對(duì)浪向，間隔 180°/（N-1），Pθk代表各浪向概率 ；Vhmax（Hi，θk）代表有義波高Hi、相對(duì)浪向θk工況下滿足安全航行衡準(zhǔn)的期望航速。

對(duì)于人員、裝備作業(yè)工況，水面艦船的人員、裝備作業(yè)綜合評(píng)價(jià)值可用期望作業(yè)百分?jǐn)?shù)表示，公式如式（4）：

式中：Vj（j=1，……，M）為艦船M個(gè)航速，kn；Pvj為 代 表 各 航 速 概 率 ；f2（Hi，Vj，θk）、f3（Hi，Vj，θk）分別代表有義波高Hi、相對(duì)浪向θk、航速Vj工況下的人員、裝備可作業(yè)值。當(dāng)數(shù)值計(jì)算或模型試驗(yàn)給出的底層指標(biāo)滿足“通規(guī)”的衡準(zhǔn)值，則f2與f3取1，否則取0。

5 評(píng)價(jià)實(shí)例

為了驗(yàn)證以上方法的正確性和可行性，本文以三型5000噸級(jí)的不同船型為評(píng)估對(duì)象，分別為折角船型S1、圓舭船型S2和肥大船型S3，對(duì)其在北太平洋海域的航行性能進(jìn)行預(yù)報(bào)，并針對(duì)航行、人員、裝備作業(yè)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。其中，各船型的主尺度見表3，橫剖面圖見圖2 -圖4，北太平洋各級(jí)波高、周期出現(xiàn)的概率見表1，并假定各航速、相對(duì)浪向等概率分布，可根據(jù)實(shí)際操船情況調(diào)整。

表3 船型主尺度

圖2 折角船型S 1橫剖面圖

圖3 圓舭船型S 2橫剖面圖

圖4 肥大船型S 3橫剖面圖

假定S1、S2、S3三個(gè)船型在靜水中的最大航速均為20 kn，本文采用耐波性切片法計(jì)算了各船型在不同海況、浪向、航速組合下的艦船運(yùn)動(dòng)，其中，三、四、五級(jí)海況的底層指標(biāo)見表4 -表6。

從表4 -表6可以看出，在三、四、五級(jí)海況下，折角船型S1的橫搖、縱搖和垂蕩幅值均小于圓舭船型S2和肥大船型S3。這表明，從底層指標(biāo)上可以直接判斷出折角船型S1的運(yùn)動(dòng)性能要優(yōu)于圓舭船型S2和肥大船型S3。但對(duì)比圓舭船型S2和肥大船型S3發(fā)現(xiàn)，圓舭船型S2的橫搖幅值均比肥大船型S3大，但縱搖和垂蕩值均比肥大船型S3小，即：從底層指標(biāo)上無法直接判斷出圓舭船型S2和肥大船型S3的性能優(yōu)劣，需借助本文的綜合評(píng)價(jià)方法進(jìn)行評(píng)判。

表4 三級(jí)海況下底層指標(biāo)對(duì)比

表5 四級(jí)海況下底層指標(biāo)對(duì)比

表6 五級(jí)海況下底層指標(biāo)對(duì)比

根據(jù)表2中給出的“通規(guī)”中航行、人員和裝備（以直升機(jī)為例）作業(yè)衡準(zhǔn)值，本文計(jì)算了S1、S2、S3三個(gè)船型的航行、人員、裝備作業(yè)評(píng)價(jià)值及綜合評(píng)價(jià)值，評(píng)價(jià)結(jié)果詳見表7。這表明，折角船型S1的航行、人員、裝備作業(yè)評(píng)價(jià)值及綜合評(píng)價(jià)值均比圓舭船型S2和肥大船型S3的對(duì)應(yīng)值大，與底層指標(biāo)反應(yīng)的情況一致。另外，圓舭船型S2的綜合評(píng)價(jià)值大于肥大船型S3，主要是由于肥大船型S3在高海況下的垂向加速度幅值較大，造成人員作業(yè)的評(píng)價(jià)值較低。

表7 綜合評(píng)價(jià)值對(duì)比%

6 結(jié) 論

本文構(gòu)建了水面艦船在風(fēng)浪作用下的航行性能綜合評(píng)價(jià)方法，主要是：

（1）結(jié)合作業(yè)工況，分析穩(wěn)性、快速性、耐波性和操縱性四個(gè)方面的底層指標(biāo)對(duì)作業(yè)任務(wù)能力的影響方面，構(gòu)建包含航行安全和作業(yè)效率的指標(biāo)體系；

（2）將評(píng)價(jià)流程分為安全校核和作業(yè)效率評(píng)價(jià)兩方面，從工程應(yīng)用的角度把各項(xiàng)底層指標(biāo)耦合在一起；

（3）引入耐波性理論中的作業(yè)百分?jǐn)?shù)，結(jié)合“通規(guī)”中的衡準(zhǔn)，計(jì)算風(fēng)浪作業(yè)下的期望航速百分?jǐn)?shù)、人員作業(yè)百分?jǐn)?shù)和裝備作業(yè)百分?jǐn)?shù)， 并構(gòu)建目標(biāo)函數(shù)評(píng)價(jià)水面艦船在風(fēng)浪作用下的綜合航行性能。

在此基礎(chǔ)上，選取折角、圓舭和肥大船型為典型算例，評(píng)價(jià)結(jié)論如下：

（1）折角船型比圓舭和肥大船型的綜合評(píng)價(jià)值及各分項(xiàng)評(píng)價(jià)值均高，且與底層指標(biāo)反應(yīng)的結(jié)果一致，驗(yàn)證了本文方法的正確性。

（2）圓舭船型比肥大船型綜合評(píng)價(jià)值高，主要是由于肥大船型在高海況下的垂向加速度幅值較大，造成人員作業(yè)的評(píng)價(jià)值較低。