李 曉，朱永峨，周耀華

（中國船級社上海規(guī)范研究所，上海 200135）

0 引 言

國際海事組織（IMO）正在研究制定第二代完整穩(wěn)性衡準(zhǔn)，主要采用多層評估方法，以建立計(jì)及主要動力穩(wěn)性失效模式的船舶設(shè)計(jì)最低標(biāo)準(zhǔn)，并可適用于非常規(guī)類型的船舶。隨著時間的推移，其將作為2008國際完整穩(wěn)性規(guī)則（2008 IS CODE）A部分強(qiáng)制性要求的補(bǔ)充和替代方法。

第二代完整穩(wěn)性衡準(zhǔn)主要包括采用建立在幾何/水動力數(shù)值、裝載工況和基本營運(yùn)參數(shù)等基礎(chǔ)上的簡單公式進(jìn)行評估的第一層薄弱性衡準(zhǔn)，采用簡化物理計(jì)算進(jìn)行評估的相對較為復(fù)雜的第二層薄弱性衡準(zhǔn)，以及采用時域數(shù)值模擬和概率理論進(jìn)行的最為復(fù)雜的穩(wěn)性直接評估。目前確定的動穩(wěn)性失效模式有5種：參數(shù)橫搖、純穩(wěn)性喪失、癱船狀態(tài)、橫甩和過度加速度[1]。

IMO穩(wěn)性、載重線和漁船安全分委會（SLF）完整穩(wěn)性（IS）工作組認(rèn)為，第一層薄弱性衡準(zhǔn)對新的第二代完整穩(wěn)性規(guī)則是非常重要的，因?yàn)椋@是船舶設(shè)計(jì)者和船長對穩(wěn)性各種失效模式進(jìn)行了解并作出判斷的簡單易行的方法和途經(jīng)。

本文根據(jù)SLF 53/INF.10 ANNEX2[2]提出的參數(shù)橫搖和純穩(wěn)性喪失的第一層薄弱性衡準(zhǔn)建議方案，對我國有代表性的實(shí)船進(jìn)行驗(yàn)證，并就建議方案的適用性和合理性，提出必要的改進(jìn)意見和建議。

1 參數(shù)橫搖和純穩(wěn)性喪失的第一層薄弱性衡準(zhǔn)建議方案

1.1 參數(shù)橫搖的第一層薄弱性衡準(zhǔn)

如圖1所示，參數(shù)橫搖最可能在縱向波浪（迎浪/隨浪）中出現(xiàn)。這是因?yàn)榇霸诳v向波浪中沿船長水線面隨時間變化引起復(fù)原力臂相應(yīng)變化，從而導(dǎo)致在某些情況下會發(fā)生參數(shù)橫搖。

圖1 船舶在波浪中沿船長的水線面變化示意圖

綜上所述，可簡化出以GM（初穩(wěn)性高度）變化為要素，作為參數(shù)橫搖的第一層薄弱性衡準(zhǔn)。SLF 53/INF.10 ANNEX2建議的參數(shù)橫搖第一層薄弱性衡準(zhǔn)具有一定的典型性：

式中：UI和LI——分別為最高吃水和最低吃水的慣性矩；

V——船舶額定吃水的排水體積，取最高吃水為干舷甲板以下5%干舷；最低吃水為平均吃水的一半或船中干舷甲板下舭圓和側(cè)壁的交點(diǎn)。

如果GM變化幅值滿足上述關(guān)系式，則可能發(fā)生參數(shù)橫搖。需注意，該衡準(zhǔn)不指定波高，而是假設(shè)波浪中GM變化最不利的相對波高。

1.2 純穩(wěn)性喪失的第一層薄弱性衡準(zhǔn)

純穩(wěn)性喪失是由于單個入射波導(dǎo)致瞬時水線面面積變化引起，特別是船被艉斜浪的波峰緩慢通過時，復(fù)原力臂將相對靜止水面大幅減小。如果此時存在風(fēng)/浪外部擾動力，將導(dǎo)致船舶有較大的橫搖，當(dāng)船舶航速略低于所騎波浪的臨界速度時，船舶中心位于波峰的時間將會很長，純穩(wěn)性喪失的風(fēng)險極大。

綜上所述，可簡化出相應(yīng)于最小水線面的初穩(wěn)性高度 GMmin為要素，作為純穩(wěn)性喪失的第一層薄弱性衡準(zhǔn)。SLF 53/INF.10 ANNEX2建議的純穩(wěn)性喪失第一層薄弱性衡準(zhǔn)具有一定的典型性：

式中：KB、KG——分別為浮心高度和重心高度。

如果 GMmin為負(fù)值，則船舶存在純穩(wěn)性喪失的危險。

2 實(shí)船計(jì)算及評估

分別選取集裝箱船、客滾船、油船和散貨船各5艘進(jìn)行參數(shù)橫搖和純穩(wěn)性喪失第一層薄弱性衡準(zhǔn)的實(shí)船驗(yàn)證和分析。

2.1 實(shí)船主要參數(shù)

20艘實(shí)船的主要參數(shù)見表1。

表1 主要參數(shù)

續(xù)表1

2.2 第一層薄弱性衡準(zhǔn)

20艘實(shí)船的參數(shù)橫搖和純穩(wěn)性喪失第一層薄弱性衡準(zhǔn)計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 實(shí)船計(jì)算結(jié)果

2.3 分析

2.3.1 實(shí)船驗(yàn)證

1) 客滾船：參數(shù)橫搖，5艘實(shí)船均存在發(fā)生參數(shù)橫搖的可能性，衡準(zhǔn)較嚴(yán)格；純穩(wěn)性喪失，5艘實(shí)船中2艘船有可能發(fā)生，衡準(zhǔn)相對合理。

2) 集裝箱船：參數(shù)橫搖，3艘尺度較小的實(shí)船計(jì)算值與衡準(zhǔn)值（0.51）相差較小，2艘主尺度較大的實(shí)船計(jì)算值與衡準(zhǔn)值相差巨大。5艘船中3艘實(shí)船有參數(shù)橫搖的可能，其中主尺度較大的2艘船的參數(shù)橫搖風(fēng)險更大。衡準(zhǔn)較為嚴(yán)格；純穩(wěn)性喪失，5艘實(shí)船中4艘船是安全的，1艘尺度較大的船發(fā)生純穩(wěn)性喪失的風(fēng)險很大，衡準(zhǔn)合理性相對好于參數(shù)橫搖；注意到集裝箱船的裝載情況眾多，且差異性很大，要求所有裝載情況均滿足參數(shù)橫搖和純穩(wěn)性喪失衡準(zhǔn)的條件，很困難。

3) 油船：參數(shù)橫搖，5艘實(shí)船均滿足衡準(zhǔn)要求；純穩(wěn)性喪失，5艘實(shí)船均滿足衡準(zhǔn)要求。

4) 散貨船：參數(shù)橫搖，5艘實(shí)船均滿足衡準(zhǔn)要求；純穩(wěn)性喪失，5艘實(shí)船均滿足衡準(zhǔn)要求。

2.3.2 兩種失效模式的第一層衡準(zhǔn)評估

綜合實(shí)船計(jì)算分析可以看出，滾裝船和集裝箱船發(fā)生參數(shù)橫搖和純穩(wěn)性喪失的可能性較大，而油船和散貨船幾乎不發(fā)生參數(shù)橫搖和純穩(wěn)性喪失。總的來說，純穩(wěn)性喪失第一層衡準(zhǔn)相對比較合理，而參數(shù)橫搖第一層衡準(zhǔn)則要求過于嚴(yán)格。

2.3.3 兩種失效模式第一層衡準(zhǔn)計(jì)算方法分析

SLF 53/INF.10 ANNEX2建議的兩種失效模式的第一層衡準(zhǔn)，選取計(jì)算 ΔGM/GM和GMmin的水線慣性矩分別是最高和最低吃水下的 IU和 IL，該兩個吃水差值(dU-dL)反映了所考慮的波高。對計(jì)算的5艘集裝箱船分別為：4.71m、6.04m、6.85m、12.58m和16.97m。

從集裝箱船在海上可能遭遇的波浪而言，上述波高可能過于保守，特別是對大型和超大型船舶。從現(xiàn)代集裝箱船所具備接收氣象和海況預(yù)報的能力看，完全可以規(guī)避危險的巨浪。

因此，選取吃水差值(dU-dL)為0.17λ3/4（反映波高與波長的統(tǒng)計(jì)關(guān)系式），計(jì)算時取波長等于船長，如吃水差值(dU-dL)大于8.5m，取8.5m，該波高數(shù)值相當(dāng)于北大西洋海況的有義波高[3]。

按此計(jì)算得到5艘集裝箱船的吃水差值(dU-dL)分別為：4.86m、6.54m、6.54m、8.50m和8.50m，該數(shù)值對大型和超大型集裝箱船有一定的減小。兩種失效模式的第一層衡準(zhǔn)結(jié)果見表3。

表3 根據(jù)建議波高計(jì)算的集裝箱船的結(jié)果

由此看出，C3變?yōu)榻咏豢赡馨l(fā)生參數(shù)橫搖，反映出改進(jìn)合理。但是，上述改進(jìn)建議對大型和超大型集裝箱船C4和C5仍然未改變衡準(zhǔn)結(jié)果，這表明，SLF 53/INF.10 ANNEX2建議的參數(shù)橫搖第一層薄弱性衡準(zhǔn)存在根本性不足，有必要進(jìn)一步修改。

2.3.4 參數(shù)橫搖與“過度加速度”協(xié)調(diào)

值得注意的是，為避免參數(shù)橫搖，則要求增大初穩(wěn)性高度GM。但是，IMO 2008 IS規(guī)則指出，過高的初穩(wěn)性高度值會“不利于船舶及其裝置、設(shè)備和所運(yùn)貨物的加速度力”，因此，參數(shù)橫搖與“過度加速度”是相互矛盾的兩個穩(wěn)性失效模式。協(xié)調(diào)好這兩種穩(wěn)性失效模式的衡準(zhǔn)是第二代穩(wěn)性規(guī)則制定時所必須考慮的因素。

3 結(jié) 語

對第二代完整穩(wěn)性衡準(zhǔn)的第一層薄弱性衡準(zhǔn)的SLF 53/INF.10 ANNEX2方案進(jìn)行了實(shí)船計(jì)算，初步篩選結(jié)果顯示，大部分客滾船和集裝箱船存在參數(shù)橫搖和純穩(wěn)性喪失的薄弱性，這與船舶營運(yùn)需長期保持良好安全的情況不符。

對大型集裝箱船，如采用建議的吃水差值(dU-dL)，衡準(zhǔn)結(jié)果的合理性將得到一定的改善，特別是純穩(wěn)性喪失的第一層衡準(zhǔn)變得更為合理。同時，也發(fā)現(xiàn)SLF 53/INF.10 ANNEX2建議的參數(shù)橫搖第一層薄弱性衡準(zhǔn)仍存在根本性不足，有必要進(jìn)一步修改。

此外，對于大型和超大型集裝箱船，是否要采用與小型船舶相同的參數(shù)橫搖和純穩(wěn)性喪失薄弱性衡準(zhǔn)也值得商榷。

參數(shù)橫搖與“過度加速度”是相互矛盾的兩個穩(wěn)性失效模式。協(xié)調(diào)好這兩種穩(wěn)性失效模式的衡準(zhǔn)是第二代穩(wěn)性規(guī)則的制定時所必須考慮的因素。

[1] IMO, SLF53/3/1. Report of the Correspondence Group on Intact Stability[S]. 2010.

[2] IMO, SLF53/INF.10. Information Collected by the Correspondence Group on Intact Stability [S]. 2010.

[3] IMO, MSC/Circ.608/Rev.1. Interim Guidelines for Open-Top Containerships [S]. 1994.