大型船舶傾斜試驗程序及數(shù)據(jù)處理方法

萬松林

(海軍駐上海江南(造船)集團有限責(zé)任公司軍事代表室，上海 201913)

船舶的初穩(wěn)性高是衡量船舶穩(wěn)性的重要指標，因此正確的求出初穩(wěn)性高是十分重要的。在船舶設(shè)計階段計算所得的重量和重心位置，與船舶建成后的實際重量和重心位置往往有一定差異，這種差異來自各種因素的影響，如設(shè)備技術(shù)規(guī)格的重量和重心與實際設(shè)備的偏差，建造中局部修改等引起的偏差等。因此，在船舶建成以后都要進行傾斜試驗[1]，以便準確的求得重量及重心的位置，以此作為船舶重量和重心的最終數(shù)據(jù)。它不僅可以用來計算該船的穩(wěn)性，而且為以后設(shè)計同類型船舶提供了可靠的參考數(shù)據(jù)。因此船舶傾斜試驗的目的是確定船舶的重量和重心位置，并將試驗結(jié)果整理成空船狀態(tài)下的初穩(wěn)性高，試驗的結(jié)果要求精確可靠。

俞士將[2]闡述了船舶傾斜試驗中應(yīng)注意的問題。班業(yè)平[3]對某些產(chǎn)生較大偏離的試驗結(jié)果進行仔細分析，以使傾斜試驗過程合理且結(jié)果準確。董磊等[4]結(jié)合自升式平臺的傾斜試驗操作，對3種傾斜試驗方法進行了綜合比較，并根據(jù)船舶特點選擇試驗方法，總結(jié)了影響傾斜試驗精度的幾點因素。顧恩凱等[5]采用Sesam軟件模擬了配重塊法和懸臂梁法2種自升式平臺傾斜試驗方法，可為實船提供必要的參考數(shù)據(jù)和具體的試驗步驟。孫承猛等[6]介紹了自升式鉆井平臺傾斜試驗的基本原理和方法，并針對常規(guī)的懸臂梁移動產(chǎn)生傾覆力矩的傾斜試驗方法，分析了試驗過程中有關(guān)試驗數(shù)據(jù)讀取誤差對試驗結(jié)果的影響。本文將從傾斜試驗原理出發(fā)，介紹傾斜試驗步驟及數(shù)據(jù)處理方法，進而提出大型船舶傾斜試驗改進優(yōu)化方案。

1 試驗原理

當(dāng)船正浮于水線WL時，其排水量為D(可根據(jù)試驗時的吃水由靜水曲線查得)。若將船上A點處的重物p橫向移動一段距離L至B點，則船將產(chǎn)生側(cè)傾并浮于新的水線W1L1，如圖1所示。根據(jù)載荷移動對船舶的浮態(tài)和初穩(wěn)性影響的計算公式可知，此時船的橫傾角φ正切為：

(1)

或?qū)⒊醴€(wěn)性高寫成：

(2)

試驗狀態(tài)的重心高度為：

(3)

式中：zM=zc+r為試驗狀態(tài)橫穩(wěn)心距基線的高度；zc為浮心垂向位置；r為橫穩(wěn)心半徑。

圖1 傾斜試驗原理圖

2 試驗步驟

橫傾角φ一般用圖2所示的擺錘進行測量。擺錘用細繩掛在船上的O點處，下端裝有水平標尺。當(dāng)船橫傾時，可在標尺上讀出擺錘移動的距離k，則船的橫傾角正切為：

(4)

式中：λ為懸掛點O至標尺的垂直距離。

為了減少測量誤差，λ應(yīng)盡可能取的大些。擺錘下端裝有翼板并浸在油槽或水槽內(nèi)，其目的是使擺錘能迅速停止擺動，便于讀得精確的k值。通常在船上設(shè)置2～3個擺錘，分別裝在艏部、舯部和艉部。橫傾角取幾個擺錘所得資料的平均值。

圖2 橫傾角擺錘測量圖

為了提高試驗結(jié)果的精確程度，應(yīng)使被試驗的船舶重復(fù)傾斜幾次，亦即在試驗時需按一定的次序?qū)⒋细鹘M重量移動多次，每次將重物橫向移動后，應(yīng)計算其橫傾力矩M及測量相應(yīng)的橫傾角φ。

傾斜試驗所用的移動重物一般是生鐵塊，將它們分成4組或6組，堆放于甲板上的指定位置(見圖3)，每組重物的重量相等。

為了形成足夠的傾斜力矩，使船能產(chǎn)生2°～4°的橫傾角，移動重物的總重量約為排水量的1%～2%，移動的距離L約為船寬的3/4。對于大型船舶，由于其排水量較大，傾斜試驗時需要較大重量的壓載，使用大塊壓鐵作為重物時，其在甲板上較難移動，此時，可利用汽車吊代替壓鐵，由于汽車吊具有重量大、操縱靈活等特點，所以利用汽車吊的移動能有效、快速獲得橫傾力矩。

圖3 傾斜試驗壓鐵布置圖

試驗開始前，按空載或標準排水量裝載狀態(tài)，詳細地編制缺少載荷、多余載荷的明細表，并注明這些載荷的重量和三向(縱、橫、垂)坐標位置，參見表1。

表1 多余(缺少)載荷明細表

如需采用液體或固體壓載物將艦船的浮態(tài)調(diào)整至滿足試驗條件，調(diào)整完畢須將浮態(tài)調(diào)整壓載物作為多余載荷填入表1。

按空載或標準排水量裝載狀態(tài)，各種液體艙柜如需裝載液體則應(yīng)灌滿，否則應(yīng)予以疏干。試驗時必須存在液體而又無法灌滿的個別艙柜，應(yīng)計算自由液面對穩(wěn)性的修正值，并詳細地測定各液體艙柜的裝載量。測定參加試驗的上艦(船)人員的重量。傾斜壓載物需按組進行稱重，分組后壓載物上應(yīng)用色漆標上分組編號，將稱重結(jié)果和壓載移動距離填入表2，并作為多余載荷填入表1。

表2 傾斜壓載物重量及位置記錄表

若采用懸錘法測量橫傾角時，按照試驗要求，準備好2～3套懸錘和水槽，分別安放在艦船的首、中、尾部靠近中線面的適當(dāng)部位(油水槽及懸錘均作為多余載荷填入表1)，測量各懸錘線長度。

3 試驗故障處理

試驗時如發(fā)現(xiàn)纜索有繃緊現(xiàn)象，應(yīng)立即向試驗指揮員報告，纜索放松后，方可繼續(xù)試驗。為了保證傾斜試驗測量結(jié)果的正確性，應(yīng)在試驗過程中同時進行偏差檢查。其檢查方法如圖4、圖5所示，圖中，橫坐標為試驗重量移動力矩，縱坐標為橫傾角的正切，在各點中間畫1根檢查直線。若有交點偏離檢查線超出4%時，應(yīng)立即查找原因，并根據(jù)實際情況確定全部或部分試驗重作。

圖4 4組移動壓載偏差檢查示意圖

圖5 6組移動壓載偏差檢查示意圖

4 靜水橫搖周期的推導(dǎo)

船舶在靜水中無阻尼橫搖時，任一瞬時作用于船體上對GM軸的力矩之和為0：

(5)

(6)

自由橫搖方程可以寫成：

(7)

解為：φ=φ0cosnφt。

圖6表征了橫搖角隨時間的變化規(guī)律。

圖6 橫搖角隨時間的變化規(guī)律圖

由橫搖微分方程的解及上圖可知：

(8)

式中：nφ定義為自由橫搖圓頻率；Tφ為橫搖固有周期。

(9)

(10)

工程上常將上式簡化為：

(11)

式中：C為靜水自由橫搖系數(shù)。

5 結(jié)束語

本文基于傾斜試驗原理，對大型船舶傾斜試驗程序及數(shù)據(jù)處理方法進行了研究，根據(jù)本文的研究可以得到如下結(jié)論：

1)對于大型船舶，使用汽車吊代替壓鐵能有效、快速獲得橫傾力矩。

2)使用初穩(wěn)性高計算靜水橫搖周期代替橫搖周期的直接測量能提高結(jié)果精度、改善試驗效益。

3)為了保證傾斜試驗測量結(jié)果的正確性，應(yīng)在試驗過程中同時進行偏差檢查。