徐彥哲

（中船重工船舶設(shè)計(jì)研究中心有限公司，大連 116000）

SOLAS概率破艙穩(wěn)性及計(jì)算結(jié)果分析

徐彥哲

（中船重工船舶設(shè)計(jì)研究中心有限公司，大連 116000）

以SOLAS 2009規(guī)范為基礎(chǔ)，結(jié)合Napa軟件對(duì)一貨船概率破艙計(jì)算結(jié)果的分析，提出優(yōu)化極限GM曲線的若干方法，并對(duì)于殘存因數(shù)等于零的破損狀態(tài)處理方法做了詳細(xì)的介紹。

SOLAS2009；Napa；極限GM曲線；殘存因數(shù)

0 引言

國(guó)際海事組織海上安全委員會(huì)的第 82屆會(huì)議通過(guò)了 SOLAS第Ⅱ-1章修正案的決議MSC.216(82)。該決議與之前通過(guò)的決議MSC.194(80)將確定性的客船SOLAS90標(biāo)準(zhǔn)與干貨船基于概率方法的SOLAS92標(biāo)準(zhǔn)協(xié)調(diào)為統(tǒng)一的概率破損穩(wěn)性要求，為船舶設(shè)計(jì)提供了新方向和思路，也更具靈活性，但同時(shí)要求也大幅提高。

Napa軟件的前身是芬蘭瓦錫蘭船廠開(kāi)發(fā)的軟件，于1989年獨(dú)立正式成立。作為總體開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的主流軟件，擁有很多設(shè)計(jì)模塊和功能，如靜水力計(jì)算、艙容計(jì)算、裝載穩(wěn)性計(jì)算、完整穩(wěn)性計(jì)算和破艙穩(wěn)性計(jì)算等。準(zhǔn)確合理利用Napa的各功能，可以高效準(zhǔn)確地解決問(wèn)題，尤其在概率破艙穩(wěn)性計(jì)算方面有著強(qiáng)大的優(yōu)勢(shì)，不僅能通過(guò)二次開(kāi)發(fā)編寫(xiě)宏命令正確快速地算出結(jié)果，而且也能夠運(yùn)用一系列的命令和圖表分析計(jì)算結(jié)果。

1 規(guī)范解讀

根據(jù)SOLAS第Ⅱ-1章B-1部分第5-1條4，需要確立ds、dp、和dl三種吃水的最小GM曲線，這就要求進(jìn)行概率破艙穩(wěn)性的計(jì)算。在給定的初始工況和根據(jù)分艙得到的一系列破損工況下，通過(guò)計(jì)算使達(dá)到的分艙指數(shù)A大于或等于要求的分艙指數(shù)R，且每一部分指數(shù)對(duì)客船不小于0.9R及對(duì)貨船不小于0.5R，則船舶的分艙可視為足夠，從而得到不同吃水下的極限 GM曲線。如整個(gè)營(yíng)運(yùn)縱傾超過(guò)±0.5%LS時(shí)，在超出部分的基礎(chǔ)上按步長(zhǎng)不超過(guò)1%LS所獲得的若干縱傾計(jì)算相應(yīng)的極限GM曲線，然后再結(jié)合完整穩(wěn)性的極限GM曲線，最終得到極限GM曲線的包絡(luò)線。

對(duì)于民用貨船來(lái)說(shuō)，船長(zhǎng)80m及以上的B型干舷貨船和根據(jù)國(guó)際載重線公約可減小干舷但擬載運(yùn)甲板貨的貨船都要進(jìn)行概率破艙穩(wěn)性的計(jì)算。一般的不載運(yùn)甲板貨的B型干舷散貨船一般較容易滿足規(guī)范的要求，但對(duì)于集裝箱船等主要載運(yùn)甲板貨的船型來(lái)說(shuō)，概率破艙算出的極限GM值則是至關(guān)重要的，因?yàn)檫@關(guān)系到甲板貨物的裝載量，直接影響船舶的經(jīng)濟(jì)性。

2 實(shí)例分析

本文對(duì)一條擬裝運(yùn)甲板貨的貨船的概率破艙計(jì)算進(jìn)行研究，分析SOLAS概率破艙穩(wěn)性計(jì)算中一些問(wèn)題的解決方法以及如何準(zhǔn)確有效地計(jì)算極限GM值。

主尺度確定之后，在根據(jù)船舶的使用功能要求制定好分艙方案，做好Napa中的總布置、開(kāi)口定義和分區(qū)表等一些計(jì)算前的設(shè)置。利用命令“GEM DAM SUB=ZONES…”來(lái)生成破損工況并與之前定義好的初始工況做成計(jì)算表格。定義初始工況的時(shí)候，各個(gè)吃水下初始GM值的選取可根據(jù)初步裝載計(jì)算，選取較為理想并在合理范圍內(nèi)的值。這里將前期的定義和計(jì)算的中間過(guò)程省略掉，只討論計(jì)算結(jié)果。

分艙指數(shù)的計(jì)算結(jié)果如下，并如表1所示。

由以上可以看出，A

表1 概率破艙穩(wěn)性計(jì)算結(jié)果

1）調(diào)整裝載工況，在滿足縱傾、螺旋槳浸沒(méi)率、駕駛室可視范圍以及最小首吃水的要求下使輕載營(yíng)運(yùn)吃水盡量減小，這樣同時(shí)降低了部分吃水（dp），對(duì)計(jì)算結(jié)果一般是有利的。

2）檢查特定的破損狀態(tài)，觀察破損后的靜穩(wěn)性曲線，是否淹沒(méi)了非水密的開(kāi)口，從而導(dǎo)致殘存因數(shù)Si=0。如果有非水密的開(kāi)口被淹沒(méi)，那么升高相應(yīng)的開(kāi)口高度也可以提高分艙指數(shù)。

3）提高最深分艙吃水（ds）和部分吃水（dp）下的GM值，效果是顯而易見(jiàn)的，但是過(guò)高的GM值對(duì)甲板裝貨量是很不利的。

提高分艙指數(shù)也有很多其它的方法，比如增加橫貫進(jìn)水裝置、連通邊艙等，視具體的情況各種方法達(dá)到的效果也是不同的。本文主要介紹第二種方法，即是針對(duì)殘存因數(shù)為零的情況。由于 Si=0的CASE也是相當(dāng)多的，逐一檢查存在較大的工作量，本文推薦使用一種新的檢查方法，即橫向比較和縱向比較。

運(yùn)行概率破艙計(jì)算程序之前，可以把所有的開(kāi)口關(guān)閉掉（IRO ALL），運(yùn)行之后得到另一個(gè)分艙指數(shù)，這個(gè)指數(shù)比考慮開(kāi)口作用得到的指數(shù)大。把兩個(gè)得到的分艙指數(shù)進(jìn)行每一分項(xiàng)的比較，比如分別比較單區(qū)破損下的三個(gè)吃水，分別比較二區(qū)或者多區(qū)破損下的三個(gè)吃水，稱之為橫向比較（表1）。假如在單區(qū)破損情況下的最深分艙吃水得到的分艙指數(shù)相差的比較多，那么可以從此項(xiàng)開(kāi)始入手，來(lái)進(jìn)行縱向比較。把開(kāi)口考慮進(jìn)去，運(yùn)行破艙穩(wěn)性計(jì)算的宏，計(jì)算好之后利用以下命令組得到如表2所示的結(jié)果。

這里需要分析SFACSOL=0（殘存因數(shù)=0）的破損CASE，參照SOLAS規(guī)范第II-1章B-1部分第7-2條，對(duì)于貨船，殘存因數(shù)為Sfinal，計(jì)算公式如下：

表2 單區(qū)破損DS吃水下的計(jì)算結(jié)果

式（1）有三個(gè)關(guān)鍵的參數(shù)：K、GZmax和Range，其中：K與進(jìn)水階段的平衡橫傾角有關(guān)，與表2中得KSOL對(duì)應(yīng)；GZmax是θv角范圍內(nèi)最大正復(fù)原力臂，不得取為大于0.12m，與表2中GZMAXSOL對(duì)應(yīng)；θv是任何進(jìn)水階段復(fù)原力臂變負(fù)的角度，或者不能風(fēng)雨密關(guān)閉的開(kāi)口被水浸沒(méi)的角度；Range是從進(jìn)水階段的平衡橫傾角量取到正復(fù)原力臂的范圍，正值范圍取為到達(dá)θv的角度，不得取為大于16°，與表2中的RANGESOL對(duì)應(yīng)。

將表2的結(jié)果與不考慮開(kāi)口作用得到的類似結(jié)果進(jìn)行縱向比較，對(duì)于某一CASE，例如DS/P7.2.0，如果考慮開(kāi)口作用得到的殘存因數(shù)等于 0，但是不考慮開(kāi)口作用得到的殘存因數(shù)大于 0，那么就要分析這個(gè)CASE。如果GZMAXSOL或者KSOL等于0，那么除了增加初始GM以外只有通過(guò)重新分艙或者加水密分隔才能提供分艙指數(shù)。如果GZMAXSOL和K都不等于0，那么一般是破損后淹沒(méi)了非水密開(kāi)口（如空氣管）導(dǎo)致的SFACSOL=0。對(duì)于這樣的破損CASE，利用以下命令組得到表3中的結(jié)果（這里計(jì)算的是左舷破損）。

LQ DROP, CASE, STAGE, SIDE, NAME, X, Y, Z, IMMA, IMMR

LIS DROP DS/P7.2.0 OPE=(UNP WEA) SOP=(A)

UNP和WEA分別代表無(wú)保護(hù)開(kāi)口和風(fēng)雨密開(kāi)口，也就是非水密的開(kāi)口。

主要檢查IMMR一項(xiàng)，其表示開(kāi)口點(diǎn)到水線面的垂向距離，如果是負(fù)值，那么表示此開(kāi)口已經(jīng)被淹沒(méi)。也可以用圖形的方法來(lái)檢驗(yàn)，使用命令PLD DCR DS/P7.2.0畫(huà)出穩(wěn)性曲線以及上面的開(kāi)口（圖1），如果開(kāi)口顯示在破損后靜穩(wěn)性曲線上(GZ曲線)平衡位置的左邊，那么也表示開(kāi)口已經(jīng)被淹沒(méi)。表3中開(kāi)口AV05對(duì)應(yīng)的IMMA值為“-”，表示左舷的這個(gè)開(kāi)口早已經(jīng)被淹沒(méi)，但在圖1中是顯示不出來(lái)的。右舷的開(kāi)口也顯示為“-”，但不表示被淹沒(méi)。總之，只需要考慮表3中IMMR為負(fù)值的開(kāi)口就可以了。找到被淹沒(méi)的開(kāi)口之后，根據(jù)計(jì)算適當(dāng)提高這些開(kāi)口的高度可以達(dá)到提高分艙指數(shù)的目的。一般情況下只計(jì)算一舷（PS or SB），所以對(duì)稱的開(kāi)口也要提升。

需要特別注意的是，有些定義好的開(kāi)口沒(méi)有在表3中或者圖1中出現(xiàn)，這就表示和這些開(kāi)口連通的艙已經(jīng)破損，作為失效的開(kāi)口不予考慮。

同理可以檢驗(yàn)其它的吃水狀態(tài)或者多區(qū)破損的情況。還需注意RANGESOL也用于計(jì)算殘存因數(shù)，與不能風(fēng)雨密關(guān)閉的開(kāi)口的高度和位置有關(guān)，可助于分析殘存因數(shù)比較小的CASE。

表3 相關(guān)典型開(kāi)口的計(jì)算結(jié)果

圖1 破損后的穩(wěn)性曲線

在實(shí)際設(shè)計(jì)建造過(guò)程中，有時(shí)空氣管的開(kāi)口高度提升的太高會(huì)影響船舶的甲板及以上的布置或者裝卸貨的操作，很多船東從船舶的使用性和美觀性來(lái)考慮也不希望設(shè)置太高的空氣管。因此此種方法和增加初始GM值的方法可以結(jié)合來(lái)使用，力求達(dá)到一個(gè)設(shè)計(jì)平衡點(diǎn)，在滿足功能要求前提下，盡量?jī)?yōu)化設(shè)計(jì)。

3 結(jié)束語(yǔ)

基于對(duì)規(guī)范的深入研究，并結(jié)合Napa軟件的一些功能對(duì)于概率破艙穩(wěn)性計(jì)算結(jié)果的檢驗(yàn)是很有幫助的。規(guī)范是基礎(chǔ)，Napa軟件作為一種有效的設(shè)計(jì)工具需要靈活運(yùn)用。本文只是拋磚引玉，關(guān)于Napa其它有助于設(shè)計(jì)的功能還需要在工作中逐步來(lái)發(fā)掘。另外也可以看出，對(duì)于一種結(jié)果的檢驗(yàn)，可以通過(guò)不同的角度采取不同的方法，而且?guī)追N方法可以相互檢驗(yàn)，最終取得合理結(jié)果。

[1] INTERNATIONAL MARITIME ORGANIZATION. SOLAS CONSOLIDATED EDITION 2012[S]. 2012.

[2] 中國(guó)船級(jí)社. SOLAS 2009分艙與破損穩(wěn)性要求實(shí)施指南[M]. 北京: 人民交通出版社, 2009.

[3] 盛振邦, 楊尚榮, 陳雪深. 船舶靜力學(xué)[M]. 哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué), 2003.

[4] NAPA MANUALS[M]. 2012-1.

Analysis of SOLAS Probabilistic Damage Stability and the Calculation Result

Xu Yan-zhe
(China Ship Design & Research Center Co., Ltd., Dalian 116000, China)

This paper analyzes several methods to optimize the minimum GM curve based on the analysis of the result of probabilistic damage stability calculation of a cargo ship by Napa program in accordance with SOLAS convention 2009 and describes how to handle the damage cases when survival factor equals to zero.

SOLAS2009; Napa; limit GM curve; survival factor

U662.1

A

1005-7560(2014)01-0001-04

徐彥哲（1983-），男，工程師，主要從事船舶總體設(shè)計(jì)以及船型開(kāi)發(fā)工作。