馬　坤　倪天文　呂振望

(大連理工大學(xué)船舶工程學(xué)院　大連　116024)

癱船穩(wěn)性薄弱性衡準(zhǔn)在實(shí)船中的應(yīng)用研究*

馬坤倪天文呂振望

(大連理工大學(xué)船舶工程學(xué)院大連116024)

摘要：國(guó)際海事組織(IMO)正在制定第二代完整穩(wěn)性衡準(zhǔn)，其中的癱船穩(wěn)性第二層薄弱性衡準(zhǔn)方案還未確定，目前主要有意大利提案和日本提案.研究基于SLF 53/INF.10中日本草案開(kāi)發(fā)了計(jì)算癱船狀態(tài)傾覆概率計(jì)算程序，對(duì)13艘實(shí)船共39個(gè)載況進(jìn)行計(jì)算，并與意大利草案的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，評(píng)價(jià)兩種方法的合理性，指出草案中存在的不足，并提出了衡準(zhǔn)值確定的建議，為IMO癱船穩(wěn)性衡準(zhǔn)的制定提供技術(shù)支撐.

關(guān)鍵詞：癱船穩(wěn)性；日本草案；傾覆概率；薄弱性衡準(zhǔn)

目前，IMO正在制定第二代完整穩(wěn)性衡準(zhǔn)，癱船穩(wěn)性薄弱性衡準(zhǔn)的制定是其中重要的一環(huán).第二層薄弱性衡準(zhǔn)的評(píng)估考慮的是處于癱船狀態(tài)的船舶在橫風(fēng)橫浪中傾覆概率的計(jì)算.Belenky[1]提出了piece-wise方法，該方法目前在癱船穩(wěn)性衡準(zhǔn)中得到廣泛應(yīng)用.Bulian等[2]利用隨機(jī)統(tǒng)計(jì)線性化技術(shù)，提出“等效面積”法處理復(fù)原力臂曲線，并應(yīng)用于傾覆概率的計(jì)算中，獲得了較好結(jié)果.日本方面提出的GZ曲線處理方案[3]，是對(duì)復(fù)原力臂曲線分段線性化，計(jì)算方法比意大利的局部線性化處理復(fù)雜，但被認(rèn)為能比較準(zhǔn)確的求解傾覆概率[4].

1橫搖運(yùn)動(dòng)計(jì)算

1.1單自由度橫搖運(yùn)動(dòng)方程

癱船單自由度無(wú)因次化非線性橫搖運(yùn)動(dòng)方程按照下式建立.

(1)

1.2無(wú)因次波浪作用力矩

國(guó)際拖曳水池會(huì)議(ITTC)推薦的波浪升高譜公式為

(2)

波浪作用力矩按照如下公式計(jì)算，γ是有效波傾系數(shù)

1.3無(wú)因次風(fēng)作用力矩

無(wú)因次定常風(fēng)作用力矩：

(4)

采用Davenport陣風(fēng)譜來(lái)描述非定常風(fēng)作用[5].

(5)

非定常風(fēng)無(wú)因次作用力矩：

(6)

1.4復(fù)原力臂曲線分段線性化處理

下風(fēng)側(cè)

(7)

上風(fēng)側(cè)

(8)

圖1　復(fù)原力臂曲線線性化處理及各相關(guān)角度示意圖

(9)

1.5橫搖阻尼線性化處理

在區(qū)域1內(nèi)，等效線性阻尼系數(shù)為

(10)

在區(qū)域0內(nèi)，非線性阻尼系數(shù)為

(11)

1.6橫搖運(yùn)動(dòng)方程解析解

求解運(yùn)動(dòng)方程，區(qū)域0的解析解如下.

(12)

式中：

(13)

(14)

式中：mi為ma和mwave在頻率ωi處幅值總和；φT和ε0是初始條件決定的.

區(qū)域1的解析解如下.

(15)

式中：

(16)

(17)

(18)

(19)

2傾覆概率計(jì)算

日本方法的傾覆模型認(rèn)為，當(dāng)船舶橫搖超過(guò)φm0，進(jìn)入?yún)^(qū)域1后，橫搖解析解發(fā)散，則認(rèn)為發(fā)生傾覆，在下風(fēng)側(cè)時(shí)，橫搖解發(fā)散對(duì)應(yīng)的就是A>0.這樣就可以用泊松分布模型來(lái)計(jì)算傾覆指數(shù)，一段時(shí)間T內(nèi)傾覆指數(shù)計(jì)算公式如下.

式中：ul和uw分別為單位時(shí)間下風(fēng)側(cè)和上風(fēng)側(cè)越過(guò)邊界的次數(shù).PA為A>0的概率，可以用一個(gè)關(guān)于A的概率密度函數(shù)求得，假設(shè)區(qū)域1內(nèi)的強(qiáng)制橫搖運(yùn)動(dòng)是個(gè)小量，Belenky提出了一個(gè)簡(jiǎn)化公式[6]

(21)

(22)

這樣根據(jù)北大西洋海浪散布圖求出給定暴露時(shí)間Texp下的平均船舶傾覆概率CIaverage：

(23)

3樣船計(jì)算對(duì)比

3.1計(jì)算結(jié)果匯總

本文選取13艘樣船，每船各有3種載況共39種工況，樣船包括漁政船、油船、消防船、海域看護(hù)船等，并將意大利法計(jì)算結(jié)果與日本方法計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，見(jiàn)表1.

3.2計(jì)算結(jié)果分析

從整體上看，意大利方法和日本方法評(píng)價(jià)的結(jié)果趨勢(shì)上保持一致，也就是說(shuō)用意大利方法計(jì)算的傾覆概率明顯過(guò)大的載況，用日本方法計(jì)算得到的傾覆概率也是很大，如圖中的98客位客渡船、燈光圍網(wǎng)漁船，但是消防船的意大利計(jì)算結(jié)果卻明顯大于日本方法的計(jì)算結(jié)果(見(jiàn)圖2)，這3取98客位客渡船滿載到港狀態(tài)進(jìn)行分析，基本數(shù)據(jù)見(jiàn)表2.

表1　實(shí)船計(jì)算表

因?yàn)?7.8 m拖網(wǎng)漁船的主尺度和98客位客渡船差不多，但是37.8 m拖網(wǎng)漁船的傾覆指數(shù)卻很小，可以取37.8 m拖網(wǎng)漁船滿載到港的狀態(tài)與98客位客渡船對(duì)比.因?yàn)楸贝笪餮蠛＠松⒉紙D中Tz=8.5 s，有義波高H=2.5 m出現(xiàn)的次數(shù)最多，可以取這一環(huán)境工況進(jìn)行計(jì)算，將重要的中間結(jié)果也拿出來(lái)對(duì)比，見(jiàn)表3.

圖2　實(shí)船計(jì)算結(jié)果圖

中文解釋符號(hào)表達(dá)數(shù)值單位船長(zhǎng)Lpp30m船寬B4.8m吃水T1.247m排水體積△88.195m3水線以上側(cè)投影面積Alat67.99m2假定風(fēng)阻力系數(shù)Cy1.22水線上面積幾何中心到水線的垂向距離Hc1.23795m假定的風(fēng)動(dòng)力作用中心到水線的垂向距離Hw1.23795m假定的水動(dòng)力作用中心到水線的垂向距離Hyd0.6235m自然橫搖頻率ω01.26rad/s初穩(wěn)性高GM0.742m進(jìn)水角φjs060(°)

表3　客渡船和拖網(wǎng)漁船中間計(jì)算數(shù)據(jù)對(duì)比

98位客渡船，是一艘沿海航行的船，船體型線帶有折角，但因未設(shè)舭龍骨，按池田法計(jì)算的二次阻尼系數(shù)dc2非常小，這樣計(jì)算得到的橫搖方差較大，因此給定環(huán)境條件下的傾覆指數(shù)就較大，但實(shí)際該船的傾覆概率不會(huì)這么大，對(duì)于像這樣的特殊船型池田法估算阻尼不一定適用，這一點(diǎn)有待進(jìn)一步研究.

圖3　拖網(wǎng)漁船的復(fù)原力臂曲線簡(jiǎn)化

表4　漁船和漁政船中間計(jì)算結(jié)果對(duì)比

燈光圍網(wǎng)漁船是一艘已經(jīng)發(fā)生沉船事故的船.該船重心過(guò)高，穩(wěn)性嚴(yán)重不足.癱船一層的衡準(zhǔn)也沒(méi)有通過(guò).該船某載況的最大復(fù)原力臂對(duì)應(yīng)的角只有20°，導(dǎo)致等效傾覆角過(guò)小，而且這艘船的阻尼系數(shù)也比較小，因此給定環(huán)境條件下的傾覆指數(shù)就較大，比較符合實(shí)際情況.

消防船的意大利方法計(jì)算結(jié)果比日本方法計(jì)算結(jié)果大很多，日本方法認(rèn)為當(dāng)橫搖運(yùn)動(dòng)的橫搖角度超過(guò)0區(qū)域并進(jìn)入1區(qū)域后，解析解發(fā)散，定義此種情況為傾覆[7]，但是計(jì)算時(shí)沒(méi)有把進(jìn)水角考慮在內(nèi)，而這艘消防船的進(jìn)水角非常小，進(jìn)水角對(duì)日本方法的結(jié)果沒(méi)有約束，所以得到傾覆概率就不是那么大，從其他船的計(jì)算結(jié)果中可以看出，當(dāng)船的進(jìn)水角很大時(shí)，日本方法與意大利法確定的傾覆角就比較接近，這樣兩種方法計(jì)算出的概傾覆率也就比較接近.因此，本研究認(rèn)為，日本方法中的傾覆角確定應(yīng)該和癱船穩(wěn)性一層的確定方法保持一致，也就是和意大利方法相同，需要考慮進(jìn)水角的影響.

從本計(jì)算樣本看，衡準(zhǔn)值[8]如果取意大利方法中建議的0.001，16種載況可以通過(guò)，通過(guò)率僅為41%左右；如果取702所建議的0.05，按意大利法，有24種載況可以通過(guò)，通過(guò)率約為62%，本樣本中有船長(zhǎng)小于50 m的小船傾覆概率偏大，船長(zhǎng)超過(guò)50 m的大船傾覆概率較小的趨勢(shì)，同時(shí)考慮到第一層和第二層的協(xié)調(diào)性，給出了衡準(zhǔn)值根據(jù)船長(zhǎng)來(lái)確定的提案.本計(jì)算樣本有限，衡準(zhǔn)值的確定還需要更多的樣船數(shù)據(jù)，特別是要參考由于該狀態(tài)發(fā)生過(guò)傾覆的船的計(jì)算結(jié)果，以及參考模型試驗(yàn)的結(jié)果來(lái)確定.

4結(jié)論

1) 意大利方法和日本方法評(píng)價(jià)的結(jié)果趨勢(shì)上保持一致.絕大多數(shù)載況(90%)，按著意大利方法計(jì)算的平均傾覆概率都大于日本方法的結(jié)果.說(shuō)明意大利方法計(jì)算的結(jié)果偏于保守.

2) 有2艘船，采用日本方法計(jì)算的平均傾覆概率略大于意大利方法的結(jié)果，這主要是日本方法傾覆角的確定中沒(méi)有考慮進(jìn)水角，而在意大利方法中，傾覆角的確定和現(xiàn)行的2008國(guó)際完整穩(wěn)性規(guī)則氣象衡準(zhǔn)中的規(guī)定一致，即考慮了進(jìn)水角.本研究認(rèn)為在這一點(diǎn)上意大利提案更為合理.

3) 樣船中燈光圍網(wǎng)漁船由于重心過(guò)高，穩(wěn)性嚴(yán)重不足，癱船一層的衡準(zhǔn)沒(méi)有通過(guò).該船的某載況無(wú)論是意大利方法還是日本方法，計(jì)算得到的傾覆概率都很大，約0.5，這也反映了2種方法的評(píng)估結(jié)果和實(shí)際情況趨勢(shì)是一致的.

4) 從本文的樣船計(jì)算結(jié)果看，大船的傾覆概率都很小，小船的傾覆概率偏大.而很多小船都已經(jīng)通過(guò)了癱船穩(wěn)性第一層衡準(zhǔn)，為了一層和二層之間保持協(xié)調(diào)，本文建議衡準(zhǔn)值按船長(zhǎng)成線性分布來(lái)取，小船的衡準(zhǔn)值取大，大船的衡準(zhǔn)值取小.

參 考 文 獻(xiàn)

[1]BELENKY V L. A capsizing probability computation method[J]. Journal of Ship Research,1993,37(3):200-207.

[2]BULIAN G, FRANCESCUTTO A. A simplified modular approach for the prediction of the roll motion due to the combined action of wind and waves[J]. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part M: Journal of Engineering for the Maritime Environment,2004(3):189-212.

[3]IMO.SLF 53-INF.10 Draft Direct assessment on stability under dead ship condition and its numerical validation[S]. Japan：IMO，2011.

[4]IMO.SDC 1-INF.6. Vulnerability assessment for dead-ship stability failure mode[S]. Japan：IMO，2013.

[5]馬坤，劉飛，張如凱.癱船穩(wěn)性第二層薄弱性衡準(zhǔn)技術(shù)研究[J].中國(guó)造船，2015(增刊1):55-59.

[6]BELENKY V L, WEEMS K M, LIN W M. Numerical procedure for evaluation of capsizing probability with split time method[J]. Proceedings of the 27th Symposuim on Naval Hydrodynamics,2008.

[7]曾柯，顧民，魯江，等.IMO癱船穩(wěn)性傾覆概率計(jì)算方法研究[C].2014年全國(guó)船舶穩(wěn)性學(xué)術(shù)研討會(huì)文集,2014.

[8]馬坤，劉飛，李楷.癱船穩(wěn)性薄弱性評(píng)估樣船計(jì)算分析[C].2014年全國(guó)船舶穩(wěn)性學(xué)術(shù)研討會(huì)文集,2014.

Application of Criteria for Dead Ship Condition to Real Ships

MA KunNI TianwenLV Zhenwang

(SchoolofShipbuildingEngineering,DalianUniversityofTechnology,Dalian116024,China)

Abstract：The International Maritime Organization (IMO) decided to develop the second generation of intact stability criteria on harmonic resonance in dead ship condition. There are two proposals from Italy and Japan. Based on the draft text submitted by Japan, a numerical calculation program is developed. In addition, a comparison of the stability performance of thirteen vessels under twFUo numerical computation methods submitted by Japan and Italy is presented in this work. It can provide technical support for IMO to set the intact stability criteria.

Key words：dead ship stability; Japan's draft; capsize probability; vulnerability assessment

收稿日期：2016-04-29

中圖法分類號(hào)：U661.22

doi:10.3963/j.issn.2095-3844.2016.03.001

馬坤(1961- ):女，教授，博士生導(dǎo)師，主要研究領(lǐng)域?yàn)榇胺€(wěn)性

*工信部船舶第二代完整穩(wěn)性衡準(zhǔn)技術(shù)研究資助(2010[533])