基于NAPA的破艙穩(wěn)性計算

孫文利，李輝，劉仕蓮，朱小艷，袁昌寶，焦海濤

（中船黃埔文沖船舶有限公司，廣東 廣州 511462）

1 前言

船舶破艙穩(wěn)性是保證船舶安全的重要指標(biāo)。船舶設(shè)計和建造過程中核算破艙穩(wěn)性，以確定透氣管、通風(fēng)口、小艙蓋等高度安全范圍，對建造中需要整改的項目起到預(yù)警的作用。

2 規(guī)范要求

規(guī)范對船舶破艙穩(wěn)性有明確規(guī)定,如破損范圍、破損前初始狀態(tài)假定、破損后平衡和穩(wěn)性要求、滲透率等。

2.1 破損范圍假定

根據(jù)國際載重線公約和SOLAS 規(guī)定：垂向破損范圍，假定自基線向上無限制；橫向破損范圍在夏季水線上船側(cè)及向內(nèi)延伸min{B/5,11.5 m}；縱向破損范圍假定是min{Lbp2/3,14.5 m}，當(dāng)相鄰兩道橫艙壁間距大于上述值，則是一艙進水，否則二艙進水。船長大于150m 時才考慮機艙破損進水；若有比上述破損范圍為小卻能造成更為嚴重后果時，則應(yīng)按較小的破損范圍計算。

2.2 破損前初始狀態(tài)假定

破損前的假定初始狀態(tài)如下：

（1)船舶裝至夏季水線且無縱傾；裝載均質(zhì)輕貨；所有貨艙是滿載。若裝液貨，則貨艙裝滿至98%。

（2）消耗品液艙，考慮個別艙裝載量為50%。液艙應(yīng)假定至少有一對橫向艙或一個中心線上艙具有最大自由液面,余下的艙柜應(yīng)假定為空倉或滿艙；消耗液體在艙內(nèi)的分布應(yīng)使重心獲得最大可能的高度。

（3）除上述裝有消耗液體艙柜外，其他液艙應(yīng)考慮橫傾角≤5°時最大自由液面或?qū)嶋H自由液面影響。

（4）比重（t/m3）：海水 1.025，淡水1.0，燃油0.95，柴油0.85，滑油0.90。

2.3 破損后平衡狀態(tài)和穩(wěn)性要求

破損后的平衡和穩(wěn)性如滿足下列要求則認為合格：

（1）船舶進水后的最終水線應(yīng)位于可能發(fā)生繼續(xù)向下浸水的任何開口下緣的下方；

（2）進水后橫傾角不超過15°，若甲板無任何部分被淹沒，則可允許此角度增加到17°；

（3）在船艙進水狀況下的初穩(wěn)性高度為正值；

（4）復(fù)原力臂曲線超過平衡位置有20°的最小正值范圍且最大復(fù)原力臂≥0.1m，曲線下面積≥0.0175rad·m。

2.4 滲透率

法規(guī)要求的艙室滲透率如下：

?

3 破艙穩(wěn)性計算實例

選擇合適的計算軟件，在軟件中完成破艙穩(wěn)性計算。

3.1 軟件的選擇

目前破艙穩(wěn)性計算軟件有MAXSURF、RHINO、FREESHIP、COMPASS、NAPA 等，其他軟件比NAPA容易上手，但國內(nèi)各設(shè)計院、審圖中心多用NAPA 計算、設(shè)計、審圖，所以選擇NAPA 作為本項目的計算軟件。

3.2 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)整理

本船基礎(chǔ)數(shù)據(jù)設(shè)置：總長199.90m；垂線間長194.50m；型寬32.26m；型深18.50m；結(jié)構(gòu)吃水13.30m；設(shè)計吃水11.30m；船舶類型“B-60”型。

3.3 建立船體模型

按型線圖和型值表建立船殼模型，本船是常規(guī)船型，建模到艏樓甲板已經(jīng)能滿足性能計算。

圖1 船體NAPA 模型

3.4 總布置和分艙

艙室布置和分艙是破艙穩(wěn)性計算的基礎(chǔ)，包含艙室劃分、艙容、艙室滲透率定義，各艙結(jié)構(gòu)縮減率為2%。

3.4.1 艉部

淡水、蒸餾水、飲用水、冷卻水艙歸淡水類，凈艙容98%，滲透率0.95，載物密度1；艉尖艙歸壓載類，滲透率0.95，載物密度1.025；舵機艙等空艙歸機器處所，滲透率0.85。

3.4.2 機艙

油艙考慮油料膨脹，艙容取95%，凈艙容98%×95%。燃油艙屬重油類，滲透率設(shè)0.95，油密度0.98；柴油艙屬柴油類，滲透率0.95，油密度0.85;滑油艙屬滑油類，滲透率0.95，油密度0.9；油渣艙、沉淀艙、污水艙、艙底水艙、泄放艙等屬消耗類，滲透率0.95，密度1。

內(nèi)底以上空艙歸入機器處所，滲透率0.85；內(nèi)底以下空艙歸入空艙類，滲透率設(shè)為0.95。

3.4.3 貨艙

燃油儲存艙屬重油類，滲透率0.95，油密度0.98；油渣艙、沉淀艙、污水艙、艙底水艙、泄放艙等見機艙。

五個貨艙屬貨艙類，滲透率0.95，貨物密度1。

壓載艙屬壓載類，滲透率0.95，水密度1.025。

3.4.4 艏部和艏樓

艏尖艙屬壓載類，滲透率0.95，水密度1.025。

錨鏈艙屬錨鏈艙類，滲透率0.6，載物密度1.025。

計程儀測深儀、應(yīng)急消防泵艙、錨機控制室及其他空艙歸空艙類，滲透率0.95，裝載物密度1。

3.5 定義開口數(shù)據(jù)

全船開孔包含所有露天開孔，規(guī)范對其位置和高度有明確的規(guī)定，要衡準(zhǔn)開孔的位置和高度是否滿足要求。

直接在TOC 模塊TABLE EDITOR 中定義開孔：

圖2 開孔設(shè)置

3.6 設(shè)定裝載工況

裝載設(shè)定包括下列幾種數(shù)據(jù)/參數(shù)的設(shè)定：

3.6.1 空船重量重心

NAPA 僅是面概念建模，要將船、機、電、舾等實體重量重心作為固定載荷輸入。船舶穩(wěn)性對重量沿船長方向的布置很敏感，所以空船重量重心布置盡量細化，重量在X 方向的分布范圍要定義，XMIN 和XMAX 要設(shè)置，重心位置要落在該范圍中間1/3 范圍內(nèi)。重量重心最終定義的理想結(jié)果是重量分布成階梯狀而不是鋸齒狀。

圖3 重量重心統(tǒng)計

3.6.2 定義裝載工況

本船按要求設(shè)定了50 個裝載工況和一個破艙初始工況。因貨艙的滲透率最初設(shè)計為0.95 是針對密度為1 的輕貨，實際裝貨密度0.77、1.366 等輕貨和密度是3甚至是鋼條的重貨，重貨艙室功能改為集裝箱載貨。

3.6.3 自由液面修正

四種自由液面取值：實際值；IMO Res.A.167 標(biāo)準(zhǔn)；50%裝載高度的值；用戶指定值。本船取IMO 標(biāo)準(zhǔn)，由系統(tǒng)計算沒裝滿的液艙自由液面。

3.6.4 各工況完整穩(wěn)性衡準(zhǔn)

NAPA 集成了各規(guī)范公約標(biāo)準(zhǔn)，可以邊配載邊校核，配載過程可顯示吃水狀態(tài)，避免出現(xiàn)大的縱橫傾。

圖4 配載

3.6.5 破損艙室定義（以工況INI01-DAM01 為例）

假定破損區(qū)域為尾部艙室，尾部區(qū)域進水8130.6t。

圖5 DAM01 破損狀態(tài)下破損艙室

3.6.6 平衡狀態(tài)參數(shù)計算

用平衡狀態(tài)參數(shù)計算功能得到破損后穩(wěn)性和剩余復(fù)原力臂曲線特征值：

?

3.6.7 破艙穩(wěn)性校核

首先設(shè)置校核用規(guī)范/公約，再用它們對穩(wěn)性指標(biāo)逐項校核，OK 滿足要求，否則NOT MET：

4 破艙穩(wěn)性的影響因素

破艙穩(wěn)性的影響因素有以下幾點：

（1）進水艙的分類：抗沉性計算中，進水艙分成三類：①破損局限在艙柜內(nèi)且灌滿，將進水艙的進水載荷視作固體載荷計算；②進水艙不滿，艙內(nèi)外水不通。如消防注水或破損封堵后，視作裝不滿液貨計算；③進水隨著船舶漂浮變化，若進水量不超過10%～15%時采用增加重量法或損失浮力法計算。

（2）滲透率：計算用滲透率為體積滲透率。

（3）自由液面：不滿液艙易產(chǎn)生傾斜力矩降低穩(wěn)性。

（4）貨物裝載：滿載→部分裝載→空載對穩(wěn)性影響增大；隔艙裝載破損后對穩(wěn)性影響更大。

5 結(jié)束語

通過NAPA 對船舶破艙穩(wěn)性計算，確定船舶穩(wěn)性符合規(guī)范要求，可以推廣應(yīng)用于后續(xù)各船，在生產(chǎn)設(shè)計中及時校核船舶的透氣管高度、通風(fēng)口高度、小艙蓋高度等，降低船舶建造過程中的風(fēng)險和成本。