內(nèi)河雙尾船甲板上浪統(tǒng)計(jì)特性影響因素分析

陳鈺　劉光明

摘 要：對內(nèi)河典型雙尾船進(jìn)行線型變換得到一系列尺度比船型，通過進(jìn)行耐波性能統(tǒng)計(jì)預(yù)報(bào)，得到甲板上浪概率和每小時(shí)上浪次數(shù)，進(jìn)而分析了各個(gè)因素對甲板上浪統(tǒng)計(jì)特性的影響程度，結(jié)論為內(nèi)河船舶制定合理的干舷標(biāo)準(zhǔn)提供了依據(jù)。

關(guān)鍵詞：內(nèi)河雙尾船；干舷；相對運(yùn)動(dòng)；甲板上浪概率

中圖分類號：U661.32 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

1 引言

載重線是船舶營運(yùn)的限界線和船舶安全的生命線，載重線根據(jù)船舶的干舷勘劃，船舶干舷分為最小干舷（形狀干舷）、強(qiáng)度干舷、穩(wěn)性干舷三種，當(dāng)三種干舷不一致時(shí)取三者之中的最大值勘劃載重線。就最小干舷而言，主要從儲(chǔ)備浮力、防止甲板上浪、對船員與乘客的保護(hù)等角度確定的基本要求，其計(jì)算值與船舶主尺度、船型特征、舷弧高度和甲板開口密性程度等因素有關(guān)。

我國現(xiàn)行《內(nèi)河船舶法定檢驗(yàn)技術(shù)規(guī)則》[1]對最小干舷的要求主要參考前蘇聯(lián)的相關(guān)規(guī)定，并結(jié)合我國內(nèi)河水域和船舶特點(diǎn)以及實(shí)船航行經(jīng)驗(yàn)確定的，其總體要求水平和量級與歐盟的現(xiàn)行規(guī)定相當(dāng)。為了保障安全航行、充分發(fā)揮船舶裝載能力、公平市場環(huán)境，開展內(nèi)河船舶最小干舷的適用研究是十分必要的。本文對內(nèi)河典型的雙尾船用NAPA進(jìn)行線型變換得到一系列尺度比船型，通過進(jìn)行耐波性能統(tǒng)計(jì)預(yù)報(bào)，得到甲板上浪概率和次數(shù)，進(jìn)而分析了各個(gè)因素對甲板上浪統(tǒng)計(jì)特性的影響程度，旨在為內(nèi)河船舶制定合理的干舷標(biāo)準(zhǔn)提供依據(jù)。

2 計(jì)算方法和原理

甲板上浪問題是以船首和波面垂向相對運(yùn)動(dòng)為基礎(chǔ)，所以研究工作的第一步是船舶在不規(guī)則波中航行時(shí)五個(gè)自由度運(yùn)動(dòng)預(yù)報(bào)，其中相對運(yùn)動(dòng)預(yù)報(bào)是重要內(nèi)容之一[2]。如果把相對運(yùn)動(dòng)位移Zr（t）看成是一個(gè)隨機(jī)過程， 那么甲板上浪問題就是一個(gè)隨機(jī)過程過閾特性的統(tǒng)計(jì)問題，這個(gè)閾值就是干舷高[3]。本文基于三維線性勢流理論得到船舶相對運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而預(yù)報(bào)與上浪有關(guān)的各種統(tǒng)計(jì)特性。

2.1 相對運(yùn)動(dòng)預(yù)報(bào)

基于三維線性勢流理論，以船舶首垂線吃水為波高監(jiān)測點(diǎn)，監(jiān)測其相對波面的位移，計(jì)算其在規(guī)則波中時(shí)間歷程，通過傅利葉變化，得到相對運(yùn)動(dòng)的位移幅頻響應(yīng)函數(shù)[4]：

2.2 甲板上浪統(tǒng)計(jì)特性預(yù)報(bào)

認(rèn)為相對位移Zr（t）是零均值窄帶高斯過程，其峰值Zra服從瑞麗分布：

3 計(jì)算方案

上浪嚴(yán)重程度取決于多項(xiàng)因素，這些因素包括水文條件、 浪向角、船型、干舷高等，本文的重點(diǎn)在于考察這些因素各自對甲板上浪的影響。

以一艘船長80 m的內(nèi)河雙尾球首散貨船為母型船，通過NAPA軟件的transformation功能進(jìn)行系列船型線設(shè)計(jì)。所設(shè)計(jì)的系列船主尺度L/D和B/D如表1所列。為了考察方形系數(shù)Cb對甲板上浪特性的影響，設(shè)計(jì)Cb為0.6、0.7、0.8、0.9四種情況；水文情況按照規(guī)范的要求，取為A級航區(qū)有義波高Hs為2.0 m，平均跨零周期To為3、4、5 s；干舷F取為0.2 D、0.15 D、0.10 D；其他考慮的因素詳見表1。

需要說明的是，由于船型較多，選定一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)船型為L/D=20、B/D=4、Cb=0.8、干舷F=0.15D、重心垂向位置Zg為1.00 D、傅氏數(shù)Fn為0.15的情況，在考慮某項(xiàng)影響因素時(shí)，只變化該因素的值，其他的量參考標(biāo)準(zhǔn)船型。

基于三維線性勢流理論計(jì)算船首和波面垂向相對運(yùn)動(dòng)，需要將船舶的型值數(shù)據(jù)編輯為標(biāo)準(zhǔn)格式，得到程序可識別的型線，然后給定船舶在特定裝載狀況下的重量分布、橫搖慣性半徑、阻尼等參數(shù)，在一定的航速和水深下，在規(guī)則波中對船舶的相對運(yùn)動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行水動(dòng)力分析。

4 甲板上浪的計(jì)算結(jié)果

按照上述方法和方案對系列船型進(jìn)行相對運(yùn)動(dòng)預(yù)報(bào)和甲板上浪統(tǒng)計(jì)特性計(jì)算，分別得到各因素對于相對運(yùn)動(dòng)特性及上浪特性的影響程度。需要指出的是，以下的結(jié)果尚未考慮內(nèi)河A級航區(qū)波高2.0 m為5%的保證率這一因素，因此所得的上浪概率數(shù)值都較大。另外，以下的結(jié)論除了第5點(diǎn)，均按照（Hs=2 m，To=5 s）的水文條件進(jìn)行的預(yù)報(bào)。

4.1 主尺度影響

由于有義波高取值為2 m，而干舷值僅有0.6 m，在Hs=2 m、T=5 s的組合條件下，上浪概率比較高，均超過了80%，每小時(shí)的上浪次數(shù)也比較大，達(dá)到了幾百次的量級。同時(shí)，超過干舷的概率隨著L/D的增加而增加，對同一L/D的船型，B/D=4的結(jié)果小于B/D=3的結(jié)果。由表2可見，相對運(yùn)動(dòng)的幅頻響應(yīng)規(guī)律與同一L/D下的統(tǒng)計(jì)量相反，這說明L/D的影響大于B/D的影響，這與前期《鋼質(zhì)內(nèi)河船舶建造規(guī)范波浪載荷及計(jì)算方法研究》項(xiàng)目所得結(jié)論也比較一致。

4.2 干舷影響

對L/D=20、B/D= 4船型在0.1D、0.15D、0.2D三種干舷情況下，傅氏數(shù)為0.15時(shí)的計(jì)算和統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果如表5所示。由表5可知，隨著干舷的增加，船舶的相對運(yùn)動(dòng)幅頻響應(yīng)減弱，這表明干舷越大；船舶的相對運(yùn)動(dòng)越平緩，反之越劇烈。此外，干舷增加對船舶甲板上浪的影響較大，當(dāng)干舷達(dá)到0.2D即800 mm的時(shí)候，上浪概率減小較為顯著。

4.3 方形系數(shù)影響

對L/D=20、B/D= 4船型在方形系數(shù)Cb為0.6、0.7、0.8、0.9四種情況下，傅氏數(shù)為0.15時(shí)的計(jì)算和統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果如表6所示。隨著方形系數(shù)的增加，運(yùn)動(dòng)響應(yīng)幅頻響應(yīng)呈遞減趨勢，對應(yīng)的上浪概率也呈遞減趨勢。這表明船越瘦削，耐波性運(yùn)動(dòng)越劇烈，這也與4.1節(jié)尺度比的計(jì)算結(jié)論在本質(zhì)上是一致的。

4.4 重心垂向位置影響

對L/D=20、B/D= 4船型在重心垂向位置Zg為0.85D、1D、1.15D三個(gè)重心位置的比較分析表明，重心位置越低，船舶的相對運(yùn)動(dòng)幅頻響應(yīng)越小。但由于響應(yīng)差異不是很大，故甲板上浪概率差別不大。

4.5 環(huán)境條件影響

對L/D=20、B/D= 4的船型在波浪周期為3、4、5s時(shí)的統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果如表8所列，由表8可知，甲板上浪概率受周期的影響較為敏感，5 s的周期對應(yīng)0.87的概率，而3 s的周期僅對應(yīng)0.27的概率。

5 結(jié)論

以一艘80 m典型雙尾船型為基礎(chǔ)進(jìn)行線型變換得到一系列船型，在分析影響甲板上浪各因素的前提下，得到一些有益的結(jié)論，為后期開展甲板上水量的研究奠定了基礎(chǔ)，為內(nèi)河船舶制定合理的干舷標(biāo)準(zhǔn)提供了一定的理論依據(jù)。

綜上所述，當(dāng)船首干舷一定時(shí)，可得到如下幾點(diǎn)結(jié)論：

（1）甲板上浪的概率隨方形系數(shù)Cb的增大而減少；

（2）L/D增大，甲板上浪概率增加；B/D增大，甲板上浪概率減小；L/D的影響大于B/D的影響；

（3）重心垂向位置對甲板上浪概率的影響較小。

另外，當(dāng)干舷不同時(shí)，甲板上浪的概率隨著干舷的增加而減小；由于內(nèi)河波浪條件的特殊性，決定了內(nèi)河船舶甲板上浪特性的不一般，在今后的研究中將重點(diǎn)開展內(nèi)河水文條件對甲板上浪特性影響的研究。

參考文獻(xiàn)

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