國外船舶破損穩性理論分析

馬麗君 馮 其 張 楠

1哈爾濱船舶鍋爐渦輪機研究所 無錫分部，江蘇 無錫214151 2中國船舶科學研究中心，江蘇 無錫214082

國外船舶破損穩性理論分析

馬麗君1馮 其1張 楠2

1哈爾濱船舶鍋爐渦輪機研究所 無錫分部，江蘇 無錫214151 2中國船舶科學研究中心，江蘇 無錫214082

船舶破損后的穩性問題是長期困擾造船界的難題，它涉及隨機海況下破損船舶的搖擺、進水和傾覆等多方面的復雜技術問題。簡要敘述了國外船舶破損進水后的穩性理論計算研究狀況，介紹了國際上在破損船舶動力學模型、艙內進水與船體的相互作用、破損口處的進流與出流模擬等3方面的研究進展。研究表明，三自由度耦合的數學模型在處理舷側破損問題方面很有效，而六自由度非線性數學模型是未來船舶破損穩性計算的發展趨勢，而且必須將船體與進水當作相互高度耦合的動力系統，采用水動力學進水模型進行處理。今后，還需采用模型試驗深入觀測波浪中船舶破損后的物理現象，以了解破損穩性機理。

船舶；破損穩性；理論分析

1 引言

在過去相當長的一段時期內，遭遇事故的破損進水船舶在海浪中的動穩性問題一直未得到足夠的重視，較之其他研究領域，該領域的研究進展比較遲緩，其主要原因是隨機海況下破損船舶的搖擺、進水和傾覆問題均十分復雜。時至今日，人們對于隨機海況中破損船舶復雜的動力特性及進水過程的了解仍然很有限，尤其是對于破損初始階段海水突然涌入現象以及艙內進水晃蕩現象的物理特性更是所知甚少。其結果是，在評估船舶破損生存力方面主要依靠靜水力特性，在靜穩性計算的基礎上提出規范要求。事實上，采用這種方法存在著嚴重的后果，很可能會造成危險海況中人員的傷亡和財產損失。

近年來，隨著一系列海損事故的發生，尤其是1987年“自由事業先驅者”號和1994年“愛沙尼亞”號由于破損而發生的傾覆事故，說明以往依照靜穩性計算而提出的破損穩性標準較粗糙，忽略了許多重要因素，而且帶有太大的隨意性［1］。所以，必須對波浪中破損船舶的動穩性進行理論分析和試驗研究，以便以此為基礎對現行的SOLAS規范加以修正，使設計者在設計的初始階段便考慮到破損穩性的影響，從而最大限度地優化破損船舶的生命力。目前，在國際上已掀起了一股研究破損船舶動穩性的熱潮，如英國的Strathclyde大學、日本的大阪大學、希臘的雅典國家理工大學、荷蘭的MARIN水池、荷蘭的Delft理工大學、意大利的Trieste大學等均開展了相關研究。由于上述2艘失事船舶都是Ro－Ro滾裝船，而此類船舶具有大面積的開敞車輛甲板，一旦發生破損進水，其后果會非常嚴重，因此對破損船舶的研究也主要集中于此類艦船上。

2 國外研究發展狀況

隨機海況中破損船舶的動力性能和遞增進水是不斷變化的。因此，重現船舶與進水整體高非線性動力系統的有效方法就是在時域中求解。國際上多采用混合方法，即先在頻域中用切片法計算水動力系數，建立數據庫，并在每一時間步進行插值，而后在時域中用卷積積分求解。為了深入了解破損船舶的生存力，需研究3個方面的問題，即破損船舶動力學模型、艙內進水與船體的相互作用以及破損口處的進流與出流模擬。

2.1 破損船舶的動力學模型

船舶的靜穩性與動穩性分別依賴于橫傾與橫搖運動，橫傾和橫搖角自身也是完整船與破損船穩性評估的標準。但在實際的海洋環境中，其他的運動形式也會直接或間接影響到船舶的穩性或橫搖運動，而且有的影響還較明顯。從水動力的角度來看，橫蕩與橫搖是耦合的；從船體水下體積變化的角度來看，垂蕩與橫搖也是耦合的。垂蕩運動會明顯改變海水灌入破損口的速度，從而影響橫搖運動本身。此外，船舶在橫浪中將會漂移，這會激起內部進水的晃蕩，從而引起對船體的附加作用力。因此，橫蕩對破損船舶運動性能的貢獻也很明顯。在研究破損船舶的極限運動性能時，早期建立的都是三自由度（橫蕩／垂蕩／橫搖）船舶運動模型［2－3］。 迄今為止，以三自由度耦合且考慮了瞬時的升沉、橫傾和縱傾的模型在處理舷側破損問題時仍然很有效。

英國的Strathclyde大學于1994年就建立了這樣的模型。在開始理論分析前，預先設置初始狀態。假設初始時刻發生破損進水的船舶靜置（零航速）在橫浪中，破損口的形狀、橫向與縱向尺寸以及破損位置都是任意的，破損船在波浪入射后開始運動。該模型模擬了破損船舶不同的載重狀態，采用的海況是逐漸增至使船舶發生傾覆的極限海況，并在此基礎上考慮了生存限界的定義。就本質而言，這是1個三自由度的非線性耐波性模型，其表達形式為：

式中，［M（t）］為瞬時變化的質量與質量慣性矩；［A］、［B］為廣義的附加質量與阻尼系數；［C］為瞬態的垂蕩與橫搖回復力，其考慮了縱傾、橫傾與升沉的影響；｛F｝wave為規則的或隨機的波浪激勵力；｛F｝wind為規則的或隨機的風激勵力；｛F｝wod為因進水引起的瞬態的垂蕩力和縱傾、橫傾力矩。

進行海水的涌入與排出分析采用的是水動力學的進水模型；瞬態的進水深度計及了波面的升高與船體的運動，在每一時間步內估算。假設內部進水運動與船舶橫搖同相，瞬態自由表面平行于外部的平均水面。該假設對于大型渡船是可以接受的，因為它們的橫搖固有頻率較低，內部進水不太可能與船體發生共振，且遞增進水也削弱了共振效應。而事實上，當進水量大到足以改變船舶的運動性能時，可以認為內部進水運動與船體運動只有很小的相位差。在模擬過程中，假設船舶重心不變，采用Frank密切擬合法計算附加質量和阻尼系數，采用池田法處理粘性和大幅運動對橫搖阻尼的影響。

Hasegawa等［4］建立了同樣三自由度的動力學模型，對1艘破損的Ro－Ro客船采取Runge－Kutta法進行了計算，并對船舶破損后的運動過程進行了動畫仿真。其使用Ursell和田才福造推薦的靜水中的方法近似計算繞射力和輻射力，Froude－Krylov力用壓力積分法計算，并考慮了船舶水下體積在波浪中的變化。破損艙室的進水模型與文獻［5］中的相同。另外，其還計算了船舶破損后的剩余穩性，并給出了具體的三自由度運動計算公式：

· 橫蕩（η）

· 垂蕩（ζ）

· 橫搖（φ）

式（2）～式（4）中，my（x）為剖面橫蕩附加質量；mz（x）為剖面垂蕩附加質量；ny（x）為剖面橫蕩阻尼系數；nz（x）為剖面垂蕩阻尼系數；y′GW為艙內進水的重心在大地坐標系中的坐標；Wflood為艙內進水的重量；ωe表示遭遇頻率；vy為海浪在η方向的速度分量。

Vermeer等［6］也建立了靜水中零航速的船舶三自由度運動模型，但選擇的3個自由度分別是橫蕩、橫搖和艏搖，水動力系數采用切片法在頻域中計算，船舶運動響應也在時域中模擬。

經過不斷地發展與完善，目前，國際上已將研究重點放在了建立六自由度非線性運動模型上［7－8］。英國Strathclyde大學船舶穩性研究中心（SSRC）建立的零航速六自由度模型的表達式為：

式中，［M］為廣義質量；［Mw（t）］為與船舶運動無關的進水質量；［］為廣義的附加質量（漸近值）；［（t）］為進水量變化率（當作阻尼）；［B］viscous為非線性阻尼系數；表征輻射阻尼的卷積；｛F｝i為各個廣義力向量，包括波浪力、風和流的激勵，以及回復力和重力的影響；｛F｝WOD為這一力向量現在所包含進水的動力效應。

Zaraphonitis等［9］也建立了零航速六自由度非線性數學模型，并對外加作用力和力矩給出了一套計算方法。

1） FK（Froude－Krylov）力與靜水力

FK（Froude－Krylov）力與靜水力和力矩通過在船體瞬時濕表面上用入射波壓力和靜水壓力直接積分得到。積分開拓至瞬態的自由表面，考慮了入射波引起的船舶運動與自由表面升高，忽略了繞射與輻射引起的自由表面變形。

2）輻射力

采用Cummins方法計算，忽略了輻射問題中的非線性，用船舶附加質量和阻尼系數計算輻射力和力矩。

3）繞射力

繞射力和力矩采用對各個單元繞射力疊加的方法近似計算。每一單元繞射力都與包含船舶激勵波列的單元波相聯系：

文獻［10］中建立的六自由度船舶運動方程有其自身的特點。首先，模型是有航速的，相對于主浪向有一平均艏向角。對于橫蕩、垂蕩、縱搖和艏搖等4種運動形式，建立的是線性的運動方程，通過用切片法確定的響應幅值算子計算；而對于橫搖和縱蕩運動，則用非線性的運動方程模擬。在時域模擬過程中，時間的步進增量很小。海水涌入和排出的速度是通過艙內外水位差在每一時間步中確定。同時，考慮了因進流與出流的影響而引起的船舶質量與慣性矩的變化。艙內水運動引起的力和力矩均加到外部風浪激勵中。

2.2 艙內進水與船體的相互作用

破損船舶本身與艙內進水之間的相互作用很明顯。船體搖蕩時會激起艙內進水的運動，而艙內進水的運動又會反作用于船體，兩者互相影響。因此，必須將船體與進水當作相互獨立卻又高度耦合的動力系統，從整體上加以研究。迄今為止，用于模擬內部進水運動的方法主要有以下5種：

1）艙內進水的瞬態自由表面平行于平均海面且與船體同相運動，二者之間沒有相位差。其假設自由液面保持水平對于傾覆時艙內進水的狀態是比較準確的，因為傾覆發生時的船體是“準靜態的”。這一早期的模型現在已逐漸被淘汰。

2）艙內進水的瞬態自由表面平行于平均海面，但進水運動與船體運動之間存在相位差。這種方法要求確定艙內進水運動對橫搖運動的相位滯后，因為大量的模型試驗均表明，船舶發生破損進水后，橫搖運動得到了緩和，即艙內進水有減搖的作用。因此，需要用一系列的模型試驗來建立二者相位差的數據庫。

3） “質點軌跡法”［11］。 艙內進水的作用集中在質心處，用一質點來表達。該質點沿著一條既定的軌跡運動，此軌跡是艙內進水運動時所有楔形體形心的連線。質點運動與船體橫搖存在相位差。

4）“淺水波方程”。若進水深度相對艙寬較淺，則忽略流體質點速度垂直于艙底的分量，認為流體質點速度平行于艙底，采用“淺水波方程”［12］求解平均水深處的速度。用隨機抽樣法處理水躍與部分干底的問題，這種方法適用于小橫傾角（φ＜25°）的情況，因此，平均水深不能大于艙寬的15%。

5）直接求解艙中水晃蕩問題。晃蕩現象具有高非線性，因而很難處理。應采用CFD技術結合粘性流動模型予以求解［13－14］。 國際上開展的研究一般以液艙船（LPG船、LNG船）中液體貨物的晃蕩為對象，以對箱形艙進行強迫簡諧橫搖振蕩的方法開展。該現象非常復雜，考慮到工程實用性，在目前的破損穩性研究中通常都予以忽略。

Zaraphonitis 與 Arai等［15］指出了晃蕩問題靜態化的可行性。首先，需要指出的是，進水不一定會惡化破損船舶的橫搖性能，減搖水艙就是一個明顯的例子。減搖水艙的設計思想是雙諧搖概念，即橫搖滯后海浪激勵90°，艙中水滯后橫搖90°，即使艙中水與海浪激勵反相運動，從而達到減搖目的。國際上開展的一些試驗表明，船舶破損進水后橫搖運動往往會得到緩和，特別是在進水量較大時，水與船之間的相位差很小，晃蕩現象也不明顯，即晃蕩問題靜態化并非偏于危險。其次，自由液面水平假設對于破損傾覆階段而言足夠精確。此外，晃蕩現象只在進水量較小時較明顯，而此時由于進水質量相對船舶質量很小，因此它們對于船體的作用力也較小。

2.3 破損口處進流與出流的數學模型

影響破損口處進流與出流的因素很多，若均加以考慮，其難度可想而知，而且也不實際。目前，國際上通行的模型是英國Strathclyde大學建立的模型。該模型是以流體力學中的小孔出流問題為理論基礎，參照流過浸濕口的流動和水庫中的水流入明渠中的流動而得到。可以通過簡單的伯努利積分得到破損口處的水流速度：

破損口處的流量可以由下式在破損口處積分得到：

式中，hin和hout分別表示進水艙的內外水頭高度；g為重力加速度。因此，整個遞增進水的問題就在于要用試驗確定出流系數K，船體的運動、艙內進水的晃蕩、海浪的入射，以及破損開口的位置、形狀、尺度及內部艙室布置對進／出流的影響都可歸結到這個系數中。Strathclyde大學通過模型試驗發現，由于進流與出流的相互影響，將此值取為0.7 較為合適。

3 結 語

船舶破損穩性研究工作自1961年開展以來，經歷了50年的發展與完善，解決了一些主要問題，在理論分析與模型試驗中取得了一些可喜的成果。目前，存在的理論分析方法對于船舶臨近傾覆階段的運動性能可以給出較好的結果，對工程應用具有一定的意義。但因破損穩性本身的復雜性，使得還有不少問題亟待逐步解決，本文只是主要就破損船舶動穩性的理論分析研究做了一個簡要綜述。

船舶破損穩性問題屬極限海況下船舶性能評估的一部分，其問題的復雜性決定了還需應用更為復雜的數學模型和積分方法來滿足更高的工程需求，以達到更高的計算精度，實現更快速的求解。其中，內部流體的流動模擬尤為重要。另外，還需用模型試驗來深入觀測進水初始階段、中間穩態階段及傾覆階段的物理現象，以捕捉其特征，了解其機理。今后還需進一步完善的工作主要有：

1）進一步發展目前通行的破損船舶運動模型微分方程的數值解法，如Runge-Kutta自適應步法、Adams多步法和Bulirsch-Stoer外插法，以獲得更高的精度和更快的速度。

2）對于將進水晃蕩效應處理成阻尼力，將移動貨物的影響處理成沖擊載荷的做法尚需進一步研究。另外，還需深入研究粘性效應或其他高階的效應，如流和波浪漂移力的影響。

3）進流與出流也是一個復雜的現象，尤其是在進水剛剛發生的初始階段，進流的瞬態效應很難模擬，人們對此幾乎一無所知，而目前采用的小孔出流模型也較粗糙。

4）由于大型Ro-Ro船具有相當大的舷側受風面積，所以在這種模型中要將風作為外界激勵加以考慮，用勢流理論加以求解。

5）應進一步運用迅速發展的各種CFD方法求解破損船與內部水晃蕩的耦合問題，以及破損船與外部海浪的耦合問題。

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Overseas Research Progress in Theoretical Analysis for Ship Damage Stability

Ma Li－jun1Feng Qi1Zhang Nan2

1 Wuxi Division， Harbin Ship Boiler and Turbine Institute， Wuxi 214151， China 2 China Ship Scientific Research Center， Wuxi 214082， China

Ship damage stability is a long－lasting puzzle in shipbuilding field， which involves many complex technical issues as rolling， flooding and capsizing of damaged ship in random waves.A review of overseas research progress in ship damage stability assessment was presented in the paper.The investigations of mathematical model， inflow ／hull interaction and water ingress／egress simulation in broken opening were introduced and analyzed.It shows that the mathematical model of three－degree－of-freedom is effective for broadside breakage problem， and the nonlinear model of six－degree－of-freedom is a good research direction in ship damage stability calculation in the future.The inflow and hull should be regarded as strong coupled system and be treated with hydraulic inflow model.The phenomena of damaged ship in waves should be observed in details by model experiments to find out the mechanism of damage stability.

ship； damage stability； theoretical analysis

U661.3

A

1673－3185（2012）02－09－05

10.3969/j.issn.1673-3185.2012.02.002

2011-10-21

馬麗君（1980－），女，工程師。研究方向：流體機械設計。

張 楠（1977－ ） ，男，博士，高級工程師。 研究方向：船舶流體力學。E-mail：zn＿nan＠sina.com

張 楠。

［責任編輯：盧圣芳］