基于MAXSURF軟件的中型郵船大傾角穩(wěn)性校核

邵朱蕓, 童曙康, 柏逸超, 吳子丞

(上海海事大學(xué) 海洋科學(xué)與工程學(xué)院，上海 201306)

0 引 言

近年來，郵船業(yè)在旅游行業(yè)中出現(xiàn)較大增長(zhǎng)，2019年全球郵船乘客超過3 000萬人次。由于長(zhǎng)期受到歐洲國家的技術(shù)封鎖，因此我國在郵船的創(chuàng)新設(shè)計(jì)與高端建造技術(shù)方面仍存在許多短板。根據(jù)國際船舶網(wǎng)相關(guān)報(bào)道，2020年12月29日招商局集團(tuán)自主研發(fā)的52 000 t中型郵船設(shè)計(jì)方案通過英國勞氏船級(jí)社的原則性認(rèn)可，為后續(xù)中型郵船研究和交付奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，體現(xiàn)郵船總體設(shè)計(jì)具有一定的自我設(shè)計(jì)能力，為我國實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化的高端郵船邁出重要的一步。

根據(jù)國際船舶網(wǎng)相關(guān)報(bào)道，2013年美國Reuben Lasker號(hào)漁業(yè)調(diào)查船在威斯康星州碼頭采用滑道下水時(shí)船身側(cè)向翻倒，船體受到嚴(yán)重?fù)p壞并出現(xiàn)人員受傷。2014年韓國世越號(hào)客船在航行中傾翻并沉沒，沉船報(bào)告提及船體缺乏穩(wěn)性是其沉沒的最大原因。2016年印度海軍的貝特瓦號(hào)導(dǎo)彈護(hù)衛(wèi)艦在孟買港駛出船塢時(shí)傾覆。船舶航行安全問題牽涉浮性和穩(wěn)性等多重動(dòng)態(tài)，并與船舶靜力學(xué)、船舶建造和船舶原理等學(xué)科息息相關(guān)。

黃武剛[1]根據(jù)時(shí)域模擬得到船舶參數(shù)共振和純穩(wěn)性的喪失原理。陳明敏等[2]采用MAXSURF軟件分析船舶大傾角穩(wěn)性，并采用油船實(shí)例分析比較軟件與實(shí)際之間的計(jì)算誤差值，有力證明將MAXSURF軟件用于計(jì)算船舶大傾角穩(wěn)性具有由實(shí)際數(shù)據(jù)支撐的可行性。張棘[3]通過對(duì)實(shí)船初穩(wěn)心進(jìn)行計(jì)算，提出甲板上浪水靜態(tài)化處理模型和按裝貨計(jì)算其對(duì)船舶穩(wěn)性影響的方法。王永功等[4]分析對(duì)比采用譜分析和時(shí)域分析兩種方法的風(fēng)浪聯(lián)合作用下的波浪穩(wěn)性，進(jìn)行兩種方法預(yù)報(bào)結(jié)果對(duì)比。張志敏等[5]針對(duì)大型船舶的穩(wěn)性校核和控制問題，分別從風(fēng)浪環(huán)境作用力、船舶運(yùn)動(dòng)模型和船體穩(wěn)性恢復(fù)力矩建模方面進(jìn)行研究。

以52 000 t中型維京郵船(簡(jiǎn)稱“維京郵船”)為研究對(duì)象，采用MAXSURF軟件對(duì)中型郵船大傾角穩(wěn)性進(jìn)行校核。

1 中型郵船穩(wěn)性理論

1.1 穩(wěn)性指標(biāo)

維京郵船的浮態(tài)和穩(wěn)性均需要滿足英國勞氏船級(jí)社的規(guī)范要求。根據(jù)《2008年國際完整穩(wěn)性規(guī)則》(IS Code 2008)對(duì)船舶穩(wěn)性的要求，對(duì)其完整穩(wěn)性進(jìn)行判定[6]。

1.2 質(zhì)心計(jì)算

數(shù)據(jù)計(jì)算時(shí)的質(zhì)心定義：縱坐標(biāo)原點(diǎn)位于0號(hào)肋位，以艏部方向?yàn)檎?；橫坐標(biāo)原點(diǎn)位于船體中心線，以左舷方向?yàn)檎淮瓜蜃鴺?biāo)原點(diǎn)位于基線，以向上方向?yàn)檎?。維京郵船數(shù)據(jù)計(jì)算時(shí)的質(zhì)心定義如圖1所示。

圖1 維京郵船數(shù)據(jù)計(jì)算時(shí)的質(zhì)心定義

維京郵船空船質(zhì)量根據(jù)實(shí)際3類質(zhì)量(船體鋼料質(zhì)量、木作舾裝質(zhì)量、機(jī)電設(shè)備質(zhì)量)進(jìn)行計(jì)算，其他質(zhì)量可根據(jù)實(shí)時(shí)更改或規(guī)范要求進(jìn)行修改。

中型郵船空船質(zhì)量為

(1)

WLW=Wh+Wf+Wm

(2)

式(1)和式(2)中：Wsa為船舶總質(zhì)量；WLW為空船質(zhì)量；Wi為船舶載重量；Wh為船體鋼料質(zhì)量；Wf為木作舾裝質(zhì)量；Wm為機(jī)電設(shè)備質(zhì)量。

中型郵船質(zhì)心坐標(biāo)為

(3)

2 基于MAXSURF軟件的維京郵船大傾角穩(wěn)性校核

2.1 船舶相關(guān)信息

采用MAXSURF軟件對(duì)維京郵船進(jìn)行穩(wěn)性數(shù)值模擬計(jì)算，并對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析。維京郵船主尺度如表1所示。

表1 維京郵船主尺度 m

維京郵船空船質(zhì)量清單如表2所示。根據(jù)船舶所有人要求，對(duì)計(jì)算得到的空船質(zhì)量和質(zhì)心以6.0%的修正值進(jìn)行修正。

表2 維京郵船空船質(zhì)量清單

2.2 大傾角穩(wěn)性數(shù)據(jù)

計(jì)算工況分為2類3種：第1類為平浪，工況1，較安全；第2類為正弦浪，波長(zhǎng)為垂線間長(zhǎng)204.900 m，波高為8.689 m，較危險(xiǎn)，工況2為波谷位于船中，工況3為波峰位于船中。

選取橫傾角為-5°～60°的維京郵船的復(fù)原力臂、復(fù)原力臂曲線下的面積、縱傾(艏傾為正、艉傾為負(fù))、形狀穩(wěn)性力臂和橫傾吃水等數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算。

2.2.1 工況1大傾角穩(wěn)性校核

工況1大傾角穩(wěn)性數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 工況1大傾角穩(wěn)性數(shù)據(jù)

工況1穩(wěn)性曲線如圖2所示。由工況1穩(wěn)性曲線得到：在橫傾角為0°時(shí)，橫穩(wěn)心高為3.312 m；在橫傾角為26.8°時(shí)，出現(xiàn)最大復(fù)原力臂為 1.029 m。

圖2 工況1穩(wěn)性曲線

2.2.2 工況2大傾角穩(wěn)性校核

工況2大傾角穩(wěn)性數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 工況2大傾角穩(wěn)性數(shù)據(jù)

工況2穩(wěn)性曲線如圖3所示。由工況2穩(wěn)性曲線得到：在橫傾角為0°時(shí)，橫穩(wěn)心高為5.420 m；在橫傾角為25.5°時(shí)，出現(xiàn)最大復(fù)原力臂為1.479 m。

圖3 工況2穩(wěn)性曲線

2.2.3 工況3大傾角穩(wěn)性校核

工況3大傾角穩(wěn)性數(shù)據(jù)如表5所示。

表5 工況3大傾角穩(wěn)性數(shù)據(jù)

工況3穩(wěn)性曲線如圖4所示。由工況3穩(wěn)性曲線得到：在橫傾角為0°時(shí)，橫穩(wěn)心高為0.886 m；在橫傾角為38.2°時(shí)，出現(xiàn)最大復(fù)原力臂為0.589 m。

圖4 工況3穩(wěn)性曲線

2.3 大傾角穩(wěn)性校核結(jié)論

校核內(nèi)容如表6所示，可判定維京郵船穩(wěn)性滿足規(guī)范要求。

表6 穩(wěn)性校核內(nèi)容

3 波浪對(duì)維京郵船穩(wěn)性的影響

為清晰體現(xiàn)維京郵船在規(guī)則波中的復(fù)原力矩規(guī)律，對(duì)波長(zhǎng)船長(zhǎng)比和波高進(jìn)行變量分析。

3.1 波長(zhǎng)船長(zhǎng)比對(duì)穩(wěn)性的影響

在波高均為8.000 m的情況下，分別計(jì)算在波長(zhǎng)為102.500 m、205.000 m、307.500 m和410.000 m時(shí)所對(duì)應(yīng)的復(fù)原力矩隨波長(zhǎng)船長(zhǎng)比的變化。復(fù)原力矩隨波長(zhǎng)船長(zhǎng)比的變化如圖5所示。由圖5可知：在工況2和工況3條件下，復(fù)原力矩隨波高的變化趨勢(shì)一致，均為上升-達(dá)到峰值-下降；在工況3條件下，且在波長(zhǎng)等于船長(zhǎng)時(shí)，復(fù)原力矩明顯下降。

圖5 復(fù)原力矩隨波長(zhǎng)船長(zhǎng)比的變化

3.2 波高對(duì)穩(wěn)性的影響

在波長(zhǎng)船長(zhǎng)比為1.0的情況下，分別計(jì)算在波高為4.000 m、6.000 m、8.000 m、10.000 m和12.000 m時(shí)所對(duì)應(yīng)的復(fù)原力矩隨波高的變化。工況2復(fù)原力矩隨波高變化如圖6所示。由圖6可知：在工況2和工況3條件下，復(fù)原力矩隨波高的變化趨勢(shì)一致，均為上升-達(dá)到峰值-下降；工況2條件下的復(fù)原力矩達(dá)到峰值的橫傾角小于工況3條件下的復(fù)原力矩。

圖6 復(fù)原力矩隨波高的變化

3.3 在規(guī)則波中的復(fù)原力矩

采用MAXSURF軟件分別計(jì)算設(shè)定的3種工況條件下的大傾角穩(wěn)性，根據(jù)維京郵船實(shí)際采用的穩(wěn)性規(guī)范，判斷每種工況條件下的穩(wěn)性均可滿足要求。考慮波浪對(duì)維京郵船穩(wěn)性的影響，通過改變波長(zhǎng)船長(zhǎng)比和波高兩個(gè)參數(shù)，繪制在工況2和工況3條件下波浪對(duì)穩(wěn)性的影響曲線。通過尋找復(fù)原力矩在波浪變化下的規(guī)律，證實(shí)在工況3條件下，且在波長(zhǎng)等于船長(zhǎng)時(shí)，復(fù)原力臂最小，維京郵船穩(wěn)性處于最危險(xiǎn)的狀態(tài)。

4 結(jié) 語

對(duì)于中型郵船，在設(shè)計(jì)初期隨空船質(zhì)量和質(zhì)心的變化，可得到不同質(zhì)量下的穩(wěn)性數(shù)據(jù)；在確定空船質(zhì)量和質(zhì)心后添加不同的壓載質(zhì)量，通過MAXSURF軟件直接計(jì)算，可得到不同工況條件下的質(zhì)量和質(zhì)心。分別在工況1、工況2和工況3條件下進(jìn)行大傾角穩(wěn)性校核，并繪制波浪對(duì)穩(wěn)性的影響曲線，得到波浪對(duì)穩(wěn)性的影響規(guī)律，證明維京郵船穩(wěn)性滿足規(guī)范要求。.