一種船舶快速性能評價方法

車霖源，王 丹，陳偉民，陳建挺，金允龍

(上海船舶運輸科學研究所 a.航運技術(shù)與安全國家重點實驗室;b.航運技術(shù)交通行業(yè)重點實驗室，上海 200135)

0 引 言

在船舶設(shè)計階段，對船舶的快速性能進行評價尤為重要。船舶設(shè)計、建造和使用人員需了解當前船舶在同類船舶中所處的位置，判斷其是否具有市場競爭力。采用不同的評價方法會得到不同的結(jié)果，因此對評價方法進行統(tǒng)一尤為重要。早在2000年，交通運輸部就發(fā)布了行業(yè)標準《新建及購置運輸船舶節(jié)能技術(shù)要求》(以下簡稱《技術(shù)要求》)，針對不同船舶的快速性評價給出了詳細的方法說明[1]，其核心思想是對比新建船舶的快速性系數(shù)與衡準值，若新船的快速性系數(shù)大于衡準值，則其滿足《技術(shù)要求》。與此類似，2002年國防科學技術(shù)工業(yè)委員會發(fā)布了行業(yè)標準《海洋運輸船主要性能水平評級》(以下簡稱《水平評級》)，從船舶的承載能力、快速性、艙容利用率和耗油量等方面給出了判斷船舶綜合性能優(yōu)劣的方法[2]，即采用與《技術(shù)要求》類似的方法，將新船與已有船相對比，考慮不同因素的權(quán)重，給出綜合得分。隨著行業(yè)的不斷發(fā)展，以往的行業(yè)標準的適用性越來越差，已有很多研究針對《水平評級》，從船型、指標和權(quán)值處理等方面提出改進方法[3-5]。為滿足船舶設(shè)計人員對快速性精準評價的需求，本文結(jié)合《技術(shù)要求》的評價方法，利用水池試驗數(shù)據(jù)庫，提出新的性能評價方法，達到合理、科學評價船舶快速性能的目的。

1 現(xiàn)有評價方法分析和改進

通過對《技術(shù)要求》進行分析，發(fā)現(xiàn)其有以下局限性：

1) 適用范圍小。隨著設(shè)計和建造水平快速提升，散貨船和油船的最大載重量均已超過300 000 t，新建集裝箱船的載箱量已超過20 000 TEU，而衡準值計算公式要求散貨船和油船的載重量在90 000 t以下，差別較大。圖1為散貨船衡準值計算公式的局限性。由圖1可知，當載重量超過90 000 t之后，衡準值曲線出現(xiàn)不合理的走勢，無法合理評估船舶的性能。

圖1 散貨船衡準值計算公式的局限性

2) 衡準值指標?！都夹g(shù)要求》中的衡準值來自于2000年以前的船型數(shù)據(jù)分析，適用于當時的船舶性能對比。近年來，隨著船型優(yōu)化技術(shù)得到廣泛應用，船舶的快速性能得到明顯提升。

3) 評價等級單一。為說明船舶的性能優(yōu)良，單獨評價其是否符合要求是不夠的，船舶設(shè)計人員希望得到更詳細的信息，明確船舶在同類船型中的位置，判斷其是否具有較強的競爭力，以便說服船舶所有人采用其方案。

針對以上局限性，重新擬定船舶快速性評價方法。選取近5 a的常規(guī)船型數(shù)據(jù)，所選船型的噸位涵蓋當前市場上的主流噸位，能反映當前船型的特點。區(qū)別于《技術(shù)要求》中的方法，設(shè)立上、下2個衡準值，根據(jù)新建船在其中的位置判斷該船的等級。等級共分為4個，提供精細的判斷結(jié)果。評價過程與《技術(shù)要求》類似，說明如下。

1) 第一步，計算新船的快速性系數(shù)額定值，分為2種情況：

(1) 對于散貨船和油船，有

(1)

(2) 對于集裝箱船，有

(2)

式(1)和式(2)中:Ch為快速性系數(shù)額定值；Y為船舶海上功率裕度，%；P為船舶主機功率(包括海上功率裕度)，kW；Δ、Δ1和Δ2為船舶排水量，t；vs、vs1和vs2為船舶航速，kn。

2) 第二步，計算對應船型的快速性系數(shù)衡準值C0，具體計算公式見表1。

表1 快速性系數(shù)衡準值計算公式

表1中：角標1代表結(jié)構(gòu)吃水狀態(tài)；角標2代表壓載吃水狀態(tài)；集裝箱船的參數(shù)為設(shè)計吃水狀態(tài)下的參數(shù)；角標L代表下限；角標U代表上限。

3) 第三步，計算快速性系數(shù)C的值，有

ΔC=C0,U-C0,L

(3)

ΔCh=Ch-C0,L

(4)

(5)

根據(jù)C值判斷船舶的快速性等級見表2。

表2 船舶快速性等級判定

2 評價方法說明

海軍系數(shù)以航速、排水量和功率確定的系數(shù)評價船舶的快速性能，使用方便，所需的變量較少，易于快速對比同類型船舶的性能?？紤]主機功率和風浪儲備，建立快速性系數(shù)Ch，將同噸位的船舶在同一水平上對比。

不同船舶的實際運營情況差異明顯，考慮船舶的實際運營情況更能合理、科學地反映其性能。散貨船和油船在實際運營中的裝載情況相對固定，即結(jié)構(gòu)吃水和壓載吃水2種情況。因此，考慮船舶在2種吃水狀態(tài)下的綜合性能。集裝箱船在實際營運過程中的裝載情況不固定，在正常的市場環(huán)境中，設(shè)計吃水出現(xiàn)的概率相對較大，以該狀態(tài)進行性能對比具有代表性。

以散貨船為例說明衡準值的建立和等級劃分方法。衡準值的建立結(jié)合了回歸分析和樣本分布的特點。首先，根據(jù)回歸分析得到變量的變化趨勢，確定快速性系數(shù)Ch隨排水體積的變化特點(見圖2)；隨后，根據(jù)變量的變化趨勢和專家經(jīng)驗建立邊界線，確定上限和下限，即衡準值，邊界線根據(jù)樣本點調(diào)整。樣本包括常規(guī)主流船型，均經(jīng)過一定的優(yōu)化設(shè)計，下限以上即為合格船型。為更詳細地進行評價，將上邊界與下邊界之間的部分三等分，得到良好和優(yōu)秀界限。對于一艘船舶，計算出其快速性系數(shù)Ch，并將所得結(jié)果與上限數(shù)值和下限數(shù)值相對比，確定落入該區(qū)間的哪個位置，由此即可判定同噸位下該船性能的優(yōu)劣。該評價方法通過相對的性能比較評價船舶的性能，具有較強的適應性，方便新數(shù)據(jù)的填充和評價標準的定期修正。

圖2 散貨船Ch分布情況

根據(jù)上述評價方法分析樣本性能的等級分布情況，結(jié)果見圖3。

由圖3可知，對于散貨船、集裝箱船和油船等三大主力船型而言，性能為“良好”等級的船舶最多，其次是“優(yōu)秀”等級，“合格”等級的船舶較少。由樣本選擇方法可知，參與對比的船舶均為經(jīng)過優(yōu)化的性能較好的船舶，有些船舶經(jīng)過多次優(yōu)化，樣本多數(shù)集中在“良好”和“優(yōu)秀”區(qū)域，符合實際情況。隨著計算流體力學(Computational Fluid Dynamics，CFD)工具的進一步發(fā)展和相關(guān)人員經(jīng)驗的積累，此種分布情況會愈加明顯。

a) 散貨船

b) 集裝箱船

圖3 樣本性能的等級分布情況

在現(xiàn)階段的工程實踐中，多以設(shè)計吃水和設(shè)計航速下的船舶性能為優(yōu)化目標。由上述分析可知，集裝箱船的快速性系數(shù)是基于設(shè)計吃水計算的，而油船和散貨船的快速性系數(shù)是基于結(jié)構(gòu)吃水和壓載吃水計算的，導致集裝箱船“優(yōu)秀”等級的比例相對較大?？傮w而言，當前的船舶性能等級評價方法能反映船型的特點，合理對比船舶的快速性能。

3 計算實例

某散貨船的主要參數(shù)見表3，計算過程見表4。

表3 某散貨船的主要參數(shù)

表4 計算過程

由表4可知，C值為0.328，該船的快速性能為“合格”等級。

4 結(jié) 語

本文針對《技術(shù)要求》中船舶快速性評價方法的局限性，結(jié)合上海船舶運輸科學研究所的水池試驗數(shù)據(jù)庫，提出了一種新的船舶快速性評價方法。該方法考慮了不同船型的特點，應用范圍較廣；對比的衡準值來自于近年來的優(yōu)秀船型，能反映當前船舶的性能特點；采用四級評價標準，能準確評價船型的性能和發(fā)展?jié)摿Γ凰鑵?shù)較少，計算方便，能快速幫助使用者得到結(jié)論；在建立衡準值曲線過程中融入了專家經(jīng)驗，從樣本的分布情況來看，當前的等級劃分方法能反映出船舶的性能特點，可用于性能對比。

隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，會有更加優(yōu)秀的船型出現(xiàn)，后續(xù)將定期對評價標準進行更新。同時，緊跟新船型的特點，客觀、合理地評價船舶的快速性能。此外，新規(guī)范、新公約中出現(xiàn)了從不同角度評價船舶性能的系數(shù)和指標，為船舶快速性評價提供了新的方向，后續(xù)將研究將其納入評價體系的可行性。