工程船耐波性設計綜合分析評估法

盛 慶 武

（上海佳豪船舶工程設計股份有限公司，上海 201612）

0 引 言

在工程船舶設計的各個階段，特別是方案設計階段，應能充分將相應的耐波性能各項技術指標作為考核船舶設計優劣的重要技術指標之一，使該船設計完成后具有較高的作業率。改善耐波性能作為重要技術指標并非會犧牲其他性能指標，反之可以輔助優化其他性能指標。例如在船舶總縱強度的計算中，鑒于工程船很多具有超規范要求的主尺度，所以波浪彎矩和剪力往往需要通過耐波性理論直接計算，其計算結果用以指導船舶裝載手冊的計算和編制。基于此，提出了工程船耐波性設計綜合分析評估法。

1 工程船耐波性設計綜合分析評估法

1.1 定義

依據工程船設計任務書和調查分析研究，通過傳統方法（母型船/統計方法/經驗方法）初步確定工程船主尺度的范圍。在此范圍內選擇N個主尺度設計方案，對每個方案開展線型設計、艙室布置、特殊甲板機械布置、估算重量重心等工作，并按照相應生活駁每個方案各裝載工況的穩性和強度等基本性能指標，通過對比分析確定M個可行的主尺度設計方案（M≤N），確定主要耐波性能影響因素和性能指標，并通過對M個主尺度設計方案的耐波性能指標計算和對比分析，優選工程船最佳的主尺度方案，重新按照相應航海公約和規范計算各典型裝載工況，并根據影響工程船主要耐波性能的因素和性能指標選擇若干典型裝載工況計算和分析該船的耐波性能指標，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計綜合分析評估法。

1.2 工程船耐波性設計綜合分析評估法框圖

圖1為工程船耐波性設計綜合分析評估法的框圖。

圖1 工程船耐波性設計綜合分析評估法的框圖

2 工程船耐波性設計綜合分析評估法應用算例

通過2400t起重船耐波性設計算例說明如何應用工程船耐波性設計綜合分析評估法。本算例包括兩方面的內容：

1) 起重船方案設計主尺度優選；

2) 評估該船的耐波性能。

2.1 2400t起重船方案設計主尺度優選

2.1.1 簡介

2400t起重船的用途是使用非旋轉吊臂起重機作業時起吊重物，該船的調傾能力、穩性、結構強度是船舶的重要性能指標，同時為了保證該船的作業率和作業能力，該船在風浪中的運動能力也是重要指標之一。該起重船無推進動力裝置，其阻力性能的好壞也直接影響到其調遣的能力。因此為了優選出適合的起重船主尺度，需要從穩性、結構強度、阻力和耐波性能綜合考慮。首先需要確定優化性能指標：穩性指標、結構強度指標、阻力性能指標和耐波性能運動指標。

為確定本船方案設計的主要尺度，針對幾種不同的船長和船寬的船舶穩性指標、強度指標、耐波性運動性能指標和阻力性能指標做了計算和分析，優選適合的起重船主尺度，作為最終確定的依據。

2.1.2 2400t起重船主尺度設計方案

針對 2400t起重船的特點，參照母型船，并根據起重船作業任務及作業海域的特點，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性、結構強度、阻力和耐波性的影響，制定了9套起重船主尺度設計方案：船長分別選95m、96m和97m 3種，船寬分別選39m、40.5m和42m。并根據母型船和該船的船舶任務確定了船體的總布置、艙室劃分和起重機等特種機械的布置，初步確定9種設計方案的船體空船重量。然后建立了9種設計方案的船體模型，并對這9個方案進行裝載工況計算。表1為主尺度設計方案和對應典型裝載工況計算表。

表1 2400t起重船主尺度設計方案表

為了便于分析和對比計算結果，這里對所選取的9個方案計算模型中的各計算參數做了統一規定：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量分布計算獲得；船舶的橫搖阻尼系數統一取為船體臨界阻尼系數的7%；重心的位置按照NAPA模型中計算的實際裝載工況中獲得。每種方案的艏部及艉部線型相似：即當船寬不變、船長變化時其艏部和艉部線型完全一致，船寬不同時，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。海浪譜采用規范規定的P-M譜。

根據船舶設計任務書的要求，起重船作業及就地抗風海況分別是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對比的波浪環境條件。

2.1.3 計算結果

表2為9種船舶主尺度方案的穩性指標，自由液面修正后的橫向初穩性高及穩性衡準數。結構強度指標中，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）。耐波性能運動指標中垂蕩、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（八級風和8kn航速）的對照表。

從表2中的9個方案可以看出：所有方案中初穩性高均滿足規范要求；對于氣象穩性衡準指標，方案一、方案二、方案四和方案七的氣象穩性衡準不滿足>1的要求，將這4個方案需要去除。方案九和方案六的結構強度指標和阻力指標是9個方案中最大的兩個方案，將這兩個方案需要去除。方案八和方案五相比，方案八的穩性指標、結構強度指標和阻力指標比方案五略大些，耐波性運動指標比較接近，但是方案八比方案五的船長長了1m，空船質量重了58t（粗估），從經濟性角度來看，船長增加對造價的影響較多，將方案八應該去除。方案五和方案三的穩性指標氣象穩性衡準、結構強度指標、阻力指標比較接近；從耐波性運動指標來看，方案五和方案三的垂蕩運動有義值比較接近，但方案五的縱搖運動有義值比方案三在H1/3=1.5m、T=5.5s時小14.1%，在H1/3=2.5m、T=7.5s時小2.2%；方案五的橫搖運動有義值比方案三在H1/3=1.5m、T=5.5s時大0.44%，在H1/3=2.5m、T=7.5s時小 2.2%。經過綜合比較后，認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性指標、結構強度指標、耐波性能運動指標和阻力性能指標對照表

綜上所述，在9個主尺度設計方案中，方案五（船長96m，船寬40.5m）是最好主尺度設計方案，最終選擇方案五（船長96m，船寬40.5m）作為2400t起重船的最優主尺度設計。

3 結 語

建立了工程船耐波性設計綜合分析評估法：闡述了該方法建立的目的和依據，并通過2400t起重船方案設計主尺度優選過程，分別從穩性指標、結構強度指標、阻力性能指標和耐波性能運動指標等優選船舶主尺度設計方案。從中可知，工程船可以在常規設計方法的基礎上，通過耐波性能指標的綜合分析評估更有效、更合理和更實用地設計工程船舶。

[1] 顧敏童. 船舶設計原理[M]. 上海：上海交通大學出版社，2001.

[2] 中國船舶工業總公司. 船舶設計實用手冊（總體分冊）[M]. 北京：國防工業出版社，1997.

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