宋峰 林慰

摘要：船舶設(shè)計(jì)時(shí)穩(wěn)性計(jì)算所采用的船舶重心位置只是理論計(jì)算的結(jié)果。為了確保船舶使用時(shí)的穩(wěn)性，在船舶接近完工狀態(tài)時(shí)須進(jìn)行傾斜試驗(yàn)，以測(cè)得船舶的真正重心位置，用于進(jìn)行各種工況的穩(wěn)性核算。傾斜試驗(yàn)結(jié)果正確與否直接關(guān)系到船舶穩(wěn)性校核的正確與否,而傾斜試驗(yàn)中船舶吃水讀數(shù)的準(zhǔn)確性，直接影響試驗(yàn)的準(zhǔn)確性。而通過(guò)采用一定的技術(shù)方法降低甚至消除波浪對(duì)水尺讀數(shù)的影響是一種有效的方法。

關(guān)鍵詞：傾斜試驗(yàn)；船舶吃水；讀數(shù)；因素

中圖分類號(hào)：U661.78文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

The Influence Factors of Draft of Ship Inclining Test

SONG Feng1，LIN Wei2

（1.China Classification Society Guangzhou Branch，Guangzhou 510235；

2.South China University of Technology, Department of Naval Architecture and Ocean Engineering，Guangzhou 510640）

Abstract： In ship design's period, the preliminary position of the center of gravity is the only theoretical calculation results, in order to determine the stability of the ship when it sails, the clinging test should be carried out when ship's building is almost completed. The result is used for calculating various process conditions. The result of inclining test is very important to the calculation of stability. There are many factors influence the accuracy of the test. But the accuracy of the draft affects the result a lot. Using certain technical methods to reduce or eliminate the wave effect on the draft data is a kind of effective method.

keyword：Inclining test; Draft; Measure; Factor

1引言

船舶設(shè)計(jì)時(shí)穩(wěn)性計(jì)算所采用的船舶重心位置只是理論計(jì)算的結(jié)果，為了確保船舶使用時(shí)的穩(wěn)性，船舶接近完工狀態(tài)時(shí)須進(jìn)行傾斜試驗(yàn)，以測(cè)得船舶的真正重心位置，從而進(jìn)行各種工況的穩(wěn)性核算。由于船舶存在著建造過(guò)程中尺寸、位置的改變、結(jié)構(gòu)和設(shè)備的增減等，都可能使實(shí)際穩(wěn)性與理論計(jì)算有較大差別，但通過(guò)傾斜試驗(yàn)后所計(jì)算出來(lái)的穩(wěn)性即可知道實(shí)際穩(wěn)性如何，若穩(wěn)性不能滿足規(guī)范要求，則可以采取補(bǔ)救措施使穩(wěn)性達(dá)到要求。因此,傾斜試驗(yàn)結(jié)果直接關(guān)系到船舶穩(wěn)性的校核。本文根據(jù)有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，提出了采取一定的技術(shù)方法，降低甚至消除風(fēng)浪對(duì)水尺讀數(shù)的影響，從而提高傾斜試驗(yàn)時(shí)水尺讀數(shù)的精準(zhǔn)性。

在傾斜試驗(yàn)過(guò)程中，要求風(fēng)力不超過(guò)2級(jí), 特殊情況不超過(guò)3級(jí)。但即便如此，水面上也會(huì)有幾十厘米波高的波浪，在這種條件下，如何準(zhǔn)確地讀出船舶吃水是試驗(yàn)前需要考慮的問(wèn)題。

一般鋼質(zhì)船舶都會(huì)在首、中、尾共勘劃三對(duì)六組水尺。在船舶下水前，該水尺被永久勘劃在船舷兩側(cè)。水尺最小間距一般都是0.2 m，在船舶靜止?fàn)顟B(tài)且無(wú)風(fēng)無(wú)浪的條件下，目測(cè)的精度也只能到0.2 m，即200 mm。如果將該讀數(shù)用作測(cè)量空船試驗(yàn)的數(shù)據(jù)，試驗(yàn)結(jié)果的誤差將較大，所以要想辦法準(zhǔn)確讀數(shù)，一是提高讀數(shù)精度，二是如何降低風(fēng)浪對(duì)讀數(shù)的影響。

2影響水尺讀數(shù)精度的因素

大型船舶傾斜試驗(yàn)過(guò)程中，試驗(yàn)人員一般會(huì)駕駛小艇，在水尺附近以某個(gè)水尺刻度為基準(zhǔn)，用卷尺近距離進(jìn)行讀數(shù)，這樣可以提高讀數(shù)的精度。一般卷尺的精度可以達(dá)到1 mm。但如何準(zhǔn)確讀取水尺的數(shù)值，相關(guān)的要求并不明確。

參考JT/T227－1996《駁船水尺計(jì)重技術(shù)規(guī)程》中的要求，常用測(cè)量工具有:鋼卷尺一把，鉛錘密度計(jì)一支，1 000 ml玻璃量筒一只，水銀溫度計(jì)一支。為了保證吃水測(cè)量準(zhǔn)確性和降低波浪及其他隨機(jī)因素的影響，每一吃水值應(yīng)根據(jù)測(cè)量環(huán)境具體情況，測(cè)量數(shù)次后取其平均值。如果條件允許，建議用長(zhǎng)玻璃管插人水中，以玻璃管中的水平面為基準(zhǔn)測(cè)量吃水值。

這種方法，實(shí)際上也是用卷尺直接進(jìn)行測(cè)量，理論精度能達(dá)到1 mm。但是通過(guò)長(zhǎng)玻璃管的方法進(jìn)行消波，多長(zhǎng)才能達(dá)到效果，標(biāo)準(zhǔn)并沒(méi)有說(shuō)明。

3 波浪的影響因素

實(shí)際上，讀吃水值面臨的最大問(wèn)題是如何消除波浪對(duì)讀數(shù)的影響。通過(guò)反復(fù)讀取最高、最低吃水取其平均值的做法，在讀數(shù)足夠多的情況還是比較準(zhǔn)確的。徹底解決辦法是平息波浪，營(yíng)造靜止水面，從而得到唯一確定的吃水值。在室外，令水面波浪整個(gè)平息下來(lái)是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的，但可以使用技術(shù)手段，在某個(gè)時(shí)間段內(nèi)令測(cè)量局部水域的波浪平息，以該相對(duì)靜止水面作為測(cè)量吃水的基準(zhǔn)，從而取得和船舶在靜止水域測(cè)量的相當(dāng)效果。

正如《駁船水尺計(jì)重技術(shù)規(guī)程》中提到的，用玻璃管進(jìn)行消波是一種常用的方法，而另外一種微管連通器消波的方法，也經(jīng)常被用到。

3.1玻璃管水尺計(jì)消波的原理和方法

水尺計(jì)消波主要和水尺計(jì)的外型有關(guān)，而最重要的兩個(gè)參數(shù)就是管徑和管長(zhǎng)。

一般情況，如果玻璃管水尺計(jì)的管徑與波浪的波長(zhǎng)相同或者近似相同，水尺加上止回閥后，水尺讀數(shù)即為實(shí)際水平面水位。由于波浪的波長(zhǎng)較長(zhǎng)且非固定值，一般達(dá)到幾米或者更大，而試驗(yàn)用的玻璃管管徑難以達(dá)到這樣的大小。

無(wú)限的增大玻璃管直徑顯然無(wú)法滿足實(shí)際使用的需要，那么再考慮增加管的長(zhǎng)度進(jìn)行消波。如果管徑與波浪波長(zhǎng)不同，管外液面明顯高于管內(nèi)液面，這時(shí)向管內(nèi)進(jìn)水，一旦有波浪傳入水尺管，必定影響精度。有人實(shí)驗(yàn)過(guò)，當(dāng)800 t級(jí)機(jī)動(dòng)駁船急馳而過(guò)時(shí)，掀起的波浪浪高在10~20 cm，1.4 m長(zhǎng)的透明塑料管中水面上下波動(dòng)的波幅達(dá)20~30 mm[1]。

根據(jù)波浪的相關(guān)知識(shí)，將波浪分為淺水波、中度水深波和深水波：

（1）淺水波（，h為水深，L為波長(zhǎng)）時(shí)如圖1所示，由于沿水深方向都有波浪的較大影響，只有在接近水底時(shí)波浪的影響才消失，所以此時(shí)通過(guò)加長(zhǎng)管段來(lái)消波效果不大。

此時(shí)，理想的管長(zhǎng)在h+d左右（d為出水高度），一般為了觀測(cè)方便，至少應(yīng)露出水面200 mm左右。

圖1 淺水中測(cè)量的消波原理示意圖

（2）中等水深 時(shí)，如圖2所示，由于沿水深方向波浪的影響逐漸變小，在接近水底一段距離時(shí)波浪的影響就已消失。

此時(shí)，理想的管長(zhǎng)為左右（H為波高）。

圖2 中等水深中測(cè)量的消波原理示意圖

（3）深水情況時(shí)

如圖3所示，由于沿水深方向波浪的影響逐漸變小，在接近Z=L/2（Z為管長(zhǎng)）時(shí)波浪的影響就已消失。

此時(shí)，理想的管長(zhǎng)為約 。

圖3 深水中測(cè)量的消波原理示意圖

在傾斜試驗(yàn)前，考慮到較好的狀態(tài)，即在港池內(nèi)，基本忽略外來(lái)的海浪波的干擾。在2級(jí)風(fēng)(風(fēng)速為1.6-3.3 m/s)情況下進(jìn)行試驗(yàn). 參考龍?jiān)旎馗鄢氐膮?shù)（D為1 000 m，水深約10 m，風(fēng)速取2 m/s），根據(jù)《內(nèi)河航道與港口水文規(guī)范》中風(fēng)浪要素的計(jì)算公式。

（1）

（2）

（3）

式中： ——平均波高；

——平均周期；

——平均波長(zhǎng)；

W——計(jì)算水域設(shè)計(jì)水位以上10 m處,10 min平均風(fēng)速(m/s)；

d ——計(jì)算水域平均水深(m)；

D ——風(fēng)區(qū)長(zhǎng)度(m)；

g ——重力加速度(m)；

可以得到，港池內(nèi)因?yàn)轱L(fēng)浪引起的波浪的參數(shù)：

當(dāng)風(fēng)速為2 m/s時(shí)，=0.05 m，=0.99 s，=1.58 m

當(dāng)風(fēng)速為3 m/s時(shí)，=0.12 m，=1.60 s，=3.99 m

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，風(fēng)速對(duì)波浪要素的影響起著決定性作用，風(fēng)速越大，波高就越大，周期也越長(zhǎng)，波長(zhǎng)也隨之增大。

在試驗(yàn)條件下，水深一般都會(huì)大于2倍的海浪波長(zhǎng)，屬于深水波。因此僅考慮第三種情況。

當(dāng)風(fēng)速為2m/s時(shí)，玻璃管的長(zhǎng)度至少為Zmin=1.58/2+0.05/2+0=0.82 m；

當(dāng)風(fēng)速為3m/s時(shí)，玻璃管的長(zhǎng)度至少為Zmin=3.94/2+0.12/2+0=2.06 m。

顯然，風(fēng)速對(duì)水尺讀數(shù)的干擾非常之大。在實(shí)際操作過(guò)程中，只有當(dāng)風(fēng)平浪靜的時(shí)候, 使用長(zhǎng)度適中的玻璃管讀數(shù)能夠保證讀數(shù)的準(zhǔn)確性。一般來(lái)說(shuō)，2級(jí)風(fēng)況狀態(tài)下，2 m長(zhǎng)的玻璃管基本能夠滿足要求。如果風(fēng)大一些，即達(dá)到3級(jí)的時(shí)候，此時(shí)由于風(fēng)引起的海浪波長(zhǎng)過(guò)大，上述加長(zhǎng)管段消波的能力將大大減弱，甚至無(wú)明顯效果。

3.2 微管連通器消波的方法

另外一種消波的方式即微管消波，其主要原理就是普通的連通器原理。將一玻璃管固定在船體舷側(cè)水線處，玻璃管的上口與大氣相通，而下口僅留細(xì)微通道，插入水中，供水進(jìn)出。原先空的玻璃管中將會(huì)有水緩慢上升，待上升到一定高度，即自行停止。此時(shí)盡管管外的水面存在波浪，但管中水面卻處于相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)。只在偶遇一陣相當(dāng)持久的高波時(shí)，即當(dāng)玻璃管所在處的波峰明顯偏高一段時(shí)間時(shí)，管中水面才會(huì)跟著緩慢上升，直到高波消失后，管內(nèi)水面又仍逐漸下降至原來(lái)靜止位置。徜若向玻璃管里注水，則玻璃管里水面會(huì)逐漸上升，停止注水，則玻璃管里水面又逐漸回落到原來(lái)的靜止位置。當(dāng)上方玻璃管管徑和微管管徑相比盡可能大的時(shí)候，這種波浪對(duì)管中水面的影響會(huì)隨之減小，直至忽略不計(jì)[2]。

經(jīng)過(guò)試驗(yàn)，這種微管消波的辦法確實(shí)不錯(cuò)。因其制造簡(jiǎn)單，攜帶方便，精度也能夠保證, 因此一些船廠都在使用這種原理的水尺測(cè)量?jī)x。

4 小結(jié)

在傾斜試驗(yàn)中，水尺讀數(shù)是一個(gè)非常重要的數(shù)據(jù)。提高水尺讀數(shù)精度和避免外界因素干擾，對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)有著非常重要的影響。通過(guò)水尺計(jì)測(cè)量管或者微管連通器的方法來(lái)消波讀數(shù)，不但減少工作量，降低工作強(qiáng)度，更重要的是提高測(cè)量的精度和準(zhǔn)確性。

參考文獻(xiàn)

[1].郭順福.特殊連通器實(shí)驗(yàn)[J].物理實(shí)驗(yàn),2005(5):33-38.

[2].郭順福.一項(xiàng)駁船水尺計(jì)重技術(shù)原理[J]. 造船技術(shù), 2003(6):23-25.

作者簡(jiǎn)介：宋峰（1983-），男，碩士，工程師。研究方向：船舶設(shè)計(jì)和建造工藝。

林慰（1980-），男，碩士，講師。研究方向：船舶結(jié)構(gòu)。

收稿日期：2014-01-14