艦船大風浪航行轉向風險評估

2014-12-07 05:22:04張新宇王作超石愛國

艦船科學技術 2014年10期

劉猛，張新宇，王驍，王作超，石愛國

(海軍大連艦艇學院，遼寧大連116018)

0 引言

隨著我國海軍走向中遠海，艦船大風浪航行已成為常態，艦船大風浪航行的航法研究也就成為了目前迫切需要解決的課題。其中，艦船在大風浪中轉向風險評估重要性尤為突出。對中型艦船而言，風浪中轉向時機不妥、操作不當，往往是平時和戰時造成嚴重后果的主因之一。

艦船大風浪航行的轉向問題，航海界已經積累了豐富的應對經驗，值得很好地繼承和發揚。但這種方法通常是經驗性的，缺乏嚴格的定量依據，難以得到優化的結果。為此，本文提出了定量的艦船大風浪航行轉向風險評估方法，評估合格，可以視情轉向;評估達不到標準，不要輕易做出轉向決策，這樣大風浪安全航行就有了進一步的保證。

1 基本思路

艦船大風浪中轉向風險包括傾覆風險、破艙進水風險、設備損壞風險等，本文僅論述最主要的傾覆風險評估。艦船穩性包括靜穩性和動穩性，靜穩性曲線表征復原力矩隨橫搖角的變化，如圖1所示;動穩性曲線一般通過靜穩性曲線積分得到，即表征復原力矩做功隨橫搖角的變化，如圖2所示。艦船轉向過程中受到外力矩的突然作用，將以一定的角速度發生傾斜，屬于典型的動穩性問題。

圖1 某驅逐艦靜穩性曲線Fig.1 A destroyer's statical stability curve

圖2 某驅逐艦動穩性曲線Fig.2 A destroyer's dynamical stability curve

艦船產生橫搖角θo時，浮心和重心不再處于同一鉛垂線上，由此產生復原力矩MR，當有一外力矩MH突然作用于船上，船體會加劇傾斜。若外力矩MH所做的功小于復原力矩所做的功時，艦船不會傾覆;反之，則發生傾覆;二者相等時，此外力矩MH即為艦船初始橫搖角θo對應的最小傾覆力矩［1］。外力矩做功在動穩性問題中，表示為斜直線。據此作動穩性曲線的切線，則切點所對應的縱坐標，就是兩力矩做功相當值，設為MHθ，θ 取單位弧度(57.3°)，則對應的縱坐標就是最小傾覆力矩Mmin。當以力臂描述時，就是圖3 中的最小傾覆力臂lq。圖中的初始角，可取為艦船在波浪中橫搖的十一值θ1/10及旋回橫傾角θS之和。這樣，便可以從圖3的初始角A 點作動穩性曲線的切線，而切線的斜率，對應使船傾覆的最小外力矩，結合海上實際，就是艦船旋回傾側一舷的突風作用于船體的力矩。

圖3 艦船最小傾覆力矩的幾何示意圖Fig.3 The geometric sketch of minimum overturning moment

2 數學模型及計算流程

艦船大風浪中轉向風險可以用穩性衡準數KQ來表示，其含義是艦船風浪中航行時，最大風傾力矩MW與最小傾覆力矩Mmin的比值。若此值接近甚至大于1，則艦船有傾覆危險，不宜轉向。

計算流程如下:

1)計算艦船穩定旋回的最大橫傾角θS;

2)計算艦船在轉向時刻海況下的十一橫搖值θ1/10;

3)確定初始橫傾角θmax= θ1/10+ θs;

4)計算以θmax為初始點的艦船動穩性曲線的切線;

5)求切點對應的Mmin或lmin;

6)計算突風對艦體作用力矩MW;

7)確定穩性衡準數KQ。

2.1 計算穩定旋回時最大橫傾角θs

艦船穩定旋回階段最大橫傾角:

式中:V0為旋回前的直航速度;ZG為重心高度;D為吃水;L為船長;h為初穩心高。

2.2 計算橫浪中艦船橫搖角θ1/10

計算艦船在波浪中的橫搖角是一復雜課題。比較精確的計算模式是采用粘性流CFD (計算流體力學)的方法，但程序復雜、計算量大、用時長，目前不具備實時性。為此，本文采用勢流理論計算橫搖角，即根據轉向海域的海浪譜信息，借助基于勢流理論的艦船六自由度搖蕩程序，計算橫浪中艦船的橫搖十一值θ1/10。艦船六自由度搖蕩計算部分程序量約為16 K，共包含20個函數和18個組成變量，封裝在CShip 類里，計算流程如圖4所示。

圖4 六自由度搖蕩計算流程Fig.4 The flowchart of 6 DOF motions calculation

2.3 計算大風浪中轉向最大橫傾角θmax

將橫浪中艦船的搖蕩十一值和旋回最大橫傾角線性疊加，作為艦船大風浪中轉向過程中最大橫傾角，即計算最小傾覆力矩的初始橫傾角:

式中:θ1/10為橫搖十一值;θS為靜水旋回穩定橫傾角。

將θo= θmax作為初始橫搖角，進行艦船最小傾覆力矩Mmin的計算。

2.4 計算最小傾覆力矩Mmin

計算前需確定重量裝載變化量，若服役以來載荷變化量不超過D/10 (D為排水量)，則按照艦船已知靜穩性曲線進行計算;如載荷變化量超過D/10 ，則按照未知穩性曲線進行計算，也就是說需要求解艦船靜穩性曲線。根據靜穩性曲線進行積分便可得到動穩性曲線。以橫搖角θo為初始角作動穩性曲線的切線，經處理便可求得在該海況下使船傾覆的最小力矩Mmin。

為提高橫搖角對應點和動穩性曲線切點的求解精度，可設動穩性曲線為一高次曲線，本文設為5次曲線，據此可得切點坐標為:

然后利用埃特金方法構造迭代法［2］，迭代求解切線方程即可。

2.5 計算最大風傾力矩

1)計算相對風速:

式中:Vx為相對風速;VZ為真風速;V0為艦船航速。

需要注意的是，在計算VZ時，應取突風，即陣風值，計算陣風的常用公式［3］如下:

2)計算最大風傾力矩:

式中:VZ為真風風速;V0為航速;Vx為相對風速;AT為船體水面以上部分正投影面積;AL為船體水面以上部分側投影面積;LOA為總長;CfN為風力繞Z 軸轉矩系數，可以通過Isherwood 公式［4］求取:

式中:S為船水上部分側投影周長，不包括水線、桅桿等細長體;C為船水上部分側投影面積形心至船首距離;M為桅桿、大柱等在側投影中分立的組數，不包括首柱遮蔽部分。

C0等系數隨相對風舷角βx變化的值如表1所示。

表1 Isherwood 公式系數表Tab.1 The coefficient table of Isherwood formula

2.6 穩性衡準數

穩性衡準數［5］是對船舶穩性的重要基本要求之一，對艦船的穩性計算要符合下列不等式:

式中:KQ為穩性衡準數;MW為最大風傾力矩，表示在惡劣海況下風對艦船作用的動傾力矩;Mmin為最小傾覆力矩，表示艦船在最危險情況下抵抗外力矩的極限能力。

3 算例及驗證

本文選取海軍某型驅逐艦作為目標艦，在有義波高h1/3=4 m，風速VZ=18.92 m/s (8 級風)的海況下，目標艦(正常排水量)以初始航速V0=12 kn進行滿舵旋回，穩定旋回階段遭遇橫浪且橫向受風，對此時的穩性衡準進行了計算。目標艦穩性曲線如圖1所示，積分后動穩性曲線如圖2所示，相應計算結果如表2所示。