盛 慶 武

（上海佳豪船舶工程設(shè)計(jì)股份有限公司，上海 201612）

0 引 言

在工程船舶設(shè)計(jì)的各個(gè)階段，特別是方案設(shè)計(jì)階段，應(yīng)能充分將相應(yīng)的耐波性能各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)作為考核船舶設(shè)計(jì)優(yōu)劣的重要技術(shù)指標(biāo)之一，使該船設(shè)計(jì)完成后具有較高的作業(yè)率。改善耐波性能作為重要技術(shù)指標(biāo)并非會(huì)犧牲其他性能指標(biāo)，反之可以輔助優(yōu)化其他性能指標(biāo)。例如在船舶總縱強(qiáng)度的計(jì)算中，鑒于工程船很多具有超規(guī)范要求的主尺度，所以波浪彎矩和剪力往往需要通過耐波性理論直接計(jì)算，其計(jì)算結(jié)果用以指導(dǎo)船舶裝載手冊的計(jì)算和編制。基于此，提出了工程船耐波性設(shè)計(jì)綜合分析評估法。

1 工程船耐波性設(shè)計(jì)綜合分析評估法

1.1 定義

依據(jù)工程船設(shè)計(jì)任務(wù)書和調(diào)查分析研究，通過傳統(tǒng)方法（母型船/統(tǒng)計(jì)方法/經(jīng)驗(yàn)方法）初步確定工程船主尺度的范圍。在此范圍內(nèi)選擇N個(gè)主尺度設(shè)計(jì)方案，對每個(gè)方案開展線型設(shè)計(jì)、艙室布置、特殊甲板機(jī)械布置、估算重量重心等工作，并按照相應(yīng)生活駁每個(gè)方案各裝載工況的穩(wěn)性和強(qiáng)度等基本性能指標(biāo)，通過對比分析確定M個(gè)可行的主尺度設(shè)計(jì)方案（M≤N），確定主要耐波性能影響因素和性能指標(biāo)，并通過對M個(gè)主尺度設(shè)計(jì)方案的耐波性能指標(biāo)計(jì)算和對比分析，優(yōu)選工程船最佳的主尺度方案，重新按照相應(yīng)航海公約和規(guī)范計(jì)算各典型裝載工況，并根據(jù)影響工程船主要耐波性能的因素和性能指標(biāo)選擇若干典型裝載工況計(jì)算和分析該船的耐波性能指標(biāo)，綜合評估該船的耐波性能，這種評估過程稱為工程船耐波性設(shè)計(jì)綜合分析評估法。

1.2 工程船耐波性設(shè)計(jì)綜合分析評估法框圖

圖1為工程船耐波性設(shè)計(jì)綜合分析評估法的框圖。

圖1 工程船耐波性設(shè)計(jì)綜合分析評估法的框圖

2 工程船耐波性設(shè)計(jì)綜合分析評估法應(yīng)用算例

通過2400t起重船耐波性設(shè)計(jì)算例說明如何應(yīng)用工程船耐波性設(shè)計(jì)綜合分析評估法。本算例包括兩方面的內(nèi)容：

1) 起重船方案設(shè)計(jì)主尺度優(yōu)選；

2) 評估該船的耐波性能。

2.1 2400t起重船方案設(shè)計(jì)主尺度優(yōu)選

2.1.1 簡介

2400t起重船的用途是使用非旋轉(zhuǎn)吊臂起重機(jī)作業(yè)時(shí)起吊重物，該船的調(diào)傾能力、穩(wěn)性、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度是船舶的重要性能指標(biāo)，同時(shí)為了保證該船的作業(yè)率和作業(yè)能力，該船在風(fēng)浪中的運(yùn)動(dòng)能力也是重要指標(biāo)之一。該起重船無推進(jìn)動(dòng)力裝置，其阻力性能的好壞也直接影響到其調(diào)遣的能力。因此為了優(yōu)選出適合的起重船主尺度，需要從穩(wěn)性、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、阻力和耐波性能綜合考慮。首先需要確定優(yōu)化性能指標(biāo)：穩(wěn)性指標(biāo)、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度指標(biāo)、阻力性能指標(biāo)和耐波性能運(yùn)動(dòng)指標(biāo)。

為確定本船方案設(shè)計(jì)的主要尺度，針對幾種不同的船長和船寬的船舶穩(wěn)性指標(biāo)、強(qiáng)度指標(biāo)、耐波性運(yùn)動(dòng)性能指標(biāo)和阻力性能指標(biāo)做了計(jì)算和分析，優(yōu)選適合的起重船主尺度，作為最終確定的依據(jù)。

2.1.2 2400t起重船主尺度設(shè)計(jì)方案

針對 2400t起重船的特點(diǎn)，參照母型船，并根據(jù)起重船作業(yè)任務(wù)及作業(yè)海域的特點(diǎn)，確定了船長95～97m，船寬39～42m。為了對比船長及船寬變化對起重船穩(wěn)性、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、阻力和耐波性的影響，制定了9套起重船主尺度設(shè)計(jì)方案：船長分別選95m、96m和97m 3種，船寬分別選39m、40.5m和42m。并根據(jù)母型船和該船的船舶任務(wù)確定了船體的總布置、艙室劃分和起重機(jī)等特種機(jī)械的布置，初步確定9種設(shè)計(jì)方案的船體空船重量。然后建立了9種設(shè)計(jì)方案的船體模型，并對這9個(gè)方案進(jìn)行裝載工況計(jì)算。表1為主尺度設(shè)計(jì)方案和對應(yīng)典型裝載工況計(jì)算表。

表1 2400t起重船主尺度設(shè)計(jì)方案表

為了便于分析和對比計(jì)算結(jié)果，這里對所選取的9個(gè)方案計(jì)算模型中的各計(jì)算參數(shù)做了統(tǒng)一規(guī)定：裝載工況相似，吃水均為4.3m；船舶的橫搖慣性半徑和縱搖慣性半徑按此裝載工況中沿船長方向的質(zhì)量分布計(jì)算獲得；船舶的橫搖阻尼系數(shù)統(tǒng)一取為船體臨界阻尼系數(shù)的7%；重心的位置按照NAPA模型中計(jì)算的實(shí)際裝載工況中獲得。每種方案的艏部及艉部線型相似：即當(dāng)船寬不變、船長變化時(shí)其艏部和艉部線型完全一致，船寬不同時(shí)，其橫剖面線型按比例放大或縮小。這樣處理的原因是可以排除艏、艉形狀對主尺度變化的影響。海浪譜采用規(guī)范規(guī)定的P-M譜。

根據(jù)船舶設(shè)計(jì)任務(wù)書的要求，起重船作業(yè)及就地抗風(fēng)海況分別是H1/3=2.50m、波浪跨零周期T=7.5s和H1/3=1.50m，波浪跨零周期T=5.5s，這樣的海況條件作為耐波性能指標(biāo)對比的波浪環(huán)境條件。

2.1.3 計(jì)算結(jié)果

表2為9種船舶主尺度方案的穩(wěn)性指標(biāo)，自由液面修正后的橫向初穩(wěn)性高及穩(wěn)性衡準(zhǔn)數(shù)。結(jié)構(gòu)強(qiáng)度指標(biāo)中，總彎矩（總彎矩取靜水彎矩和波浪彎矩疊加后的極值）和總剪力（總剪力取靜水剪力和波浪剪力疊加后的極值）。耐波性能運(yùn)動(dòng)指標(biāo)中垂蕩、橫搖及縱搖在兩種不同海況下（H1/3=1.5m、T=5.5s和H1/3=2.5m、T=7.5s）的有義值和阻力性能指標(biāo)（八級(jí)風(fēng)和8kn航速）的對照表。

從表2中的9個(gè)方案可以看出：所有方案中初穩(wěn)性高均滿足規(guī)范要求；對于氣象穩(wěn)性衡準(zhǔn)指標(biāo)，方案一、方案二、方案四和方案七的氣象穩(wěn)性衡準(zhǔn)不滿足>1的要求，將這4個(gè)方案需要去除。方案九和方案六的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度指標(biāo)和阻力指標(biāo)是9個(gè)方案中最大的兩個(gè)方案，將這兩個(gè)方案需要去除。方案八和方案五相比，方案八的穩(wěn)性指標(biāo)、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度指標(biāo)和阻力指標(biāo)比方案五略大些，耐波性運(yùn)動(dòng)指標(biāo)比較接近，但是方案八比方案五的船長長了1m，空船質(zhì)量重了58t（粗估），從經(jīng)濟(jì)性角度來看，船長增加對造價(jià)的影響較多，將方案八應(yīng)該去除。方案五和方案三的穩(wěn)性指標(biāo)氣象穩(wěn)性衡準(zhǔn)、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度指標(biāo)、阻力指標(biāo)比較接近；從耐波性運(yùn)動(dòng)指標(biāo)來看，方案五和方案三的垂蕩運(yùn)動(dòng)有義值比較接近，但方案五的縱搖運(yùn)動(dòng)有義值比方案三在H1/3=1.5m、T=5.5s時(shí)小14.1%，在H1/3=2.5m、T=7.5s時(shí)小2.2%；方案五的橫搖運(yùn)動(dòng)有義值比方案三在H1/3=1.5m、T=5.5s時(shí)大0.44%，在H1/3=2.5m、T=7.5s時(shí)小 2.2%。經(jīng)過綜合比較后，認(rèn)為方案五比方案三是更好的選擇。

表2 9種船舶主尺度方案的穩(wěn)性指標(biāo)、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度指標(biāo)、耐波性能運(yùn)動(dòng)指標(biāo)和阻力性能指標(biāo)對照表

綜上所述，在9個(gè)主尺度設(shè)計(jì)方案中，方案五（船長96m，船寬40.5m）是最好主尺度設(shè)計(jì)方案，最終選擇方案五（船長96m，船寬40.5m）作為2400t起重船的最優(yōu)主尺度設(shè)計(jì)。

3 結(jié) 語

建立了工程船耐波性設(shè)計(jì)綜合分析評估法：闡述了該方法建立的目的和依據(jù)，并通過2400t起重船方案設(shè)計(jì)主尺度優(yōu)選過程，分別從穩(wěn)性指標(biāo)、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度指標(biāo)、阻力性能指標(biāo)和耐波性能運(yùn)動(dòng)指標(biāo)等優(yōu)選船舶主尺度設(shè)計(jì)方案。從中可知，工程船可以在常規(guī)設(shè)計(jì)方法的基礎(chǔ)上，通過耐波性能指標(biāo)的綜合分析評估更有效、更合理和更實(shí)用地設(shè)計(jì)工程船舶。

[1] 顧敏童. 船舶設(shè)計(jì)原理[M]. 上海：上海交通大學(xué)出版社，2001.

[2] 中國船舶工業(yè)總公司. 船舶設(shè)計(jì)實(shí)用手冊（總體分冊）[M]. 北京：國防工業(yè)出版社，1997.

[3] BUREAU VERITAS. HYDROSTAR FOR EXPERTS USER MANUAL[R]. March 2009.