船舶耐波性設計及評估方法研究

高占鋒

（江蘇海藝船舶科技有限公司，江蘇 鎮江 212009）

船舶耐波性設計及評估方法研究

高占鋒

（江蘇海藝船舶科技有限公司，江蘇 鎮江 212009）

耐波性是船舶設計重要的參考指標，本文在分析船舶耐波性及其運動方程式的基礎上，探討耐波性衡準單項指標和綜合指標，并結合3000t工程起重船為例，就耐波性評估方法及應用進行了論述，指出了耐波性設計及評估方法的可行性，具有較強的應用價值和實際意義。

船舶；耐波性設計；評估方法

1 船舶耐波性概述

船舶在波浪中的運行是不可避免的，關鍵是要防止船舶在波浪中發生過大運動，確保船舷安全以及其他船舶功能不受損害。船舶耐波性是指船舶在波浪的擾動下，即使有橫搖、甲板上浪、螺旋槳飛車等問題，仍能維持一定航速安全運行的能力，船舶的耐波性對保障船舶航行安全尤為重要。現實中，主要通過各種耐波性評價方法（如BP神經網絡耐波性評價法等）評估船舶的耐波性，其原理是計算一定風浪環境下船舶航行的耐波性安全評估值，并根據計算出的評估值大小選擇不同風浪條件下船舶最有利的航速和航向，指導船舶的航行操作，確保船舶航行安全。

從船舶設計者的視角看，船舶耐波性應從船舶的適居性、使用性和生命力方面綜合考量。根據6個自由度的運動均值或特征值來看，加速度特征值、運動和加速度的極值、甲板淹濕、砰擊和砰擊負荷、波浪誘導振動、船體相當梁彎矩、船體撓度、局部波浪負荷、所需功率的增加、螺旋槳空轉、尾軸負荷和航向穩定性等。

2 船舶在波浪中的運動方程式及耐波性設計

2.1 船舶在波浪中的受力

船舶在波浪中受力主要包括6個方面：重力，即船舶在運動過程中，其大小、方向和作用點是不變的；船體本身的慣性力；浮力，在船舶運動中是變化的；輻射流體動力，由船舶搖蕩運動產生；波浪擾動力，包括不受船體擾動的入射波的變動水壓力形成的流體動力，以及波浪遇到船體后時產生繞射流體動力；流體粘性力，除橫搖運動外，流體粘性力一般不予考慮。

2.2 運動方程式

設定船舶作為一個剛體，忽略彈性變形；不考慮水的粘性和可壓縮性；假定作用于船體上的微幅規則波，可應用線性理論；假定船舶搖蕩幅度微小，除大角度橫搖外，船舶在波浪中受力和運動都可以作為線性問題處理，應用疊加原理。

3 耐波性衡準

耐波性指標受很多因素的影響，既與海洋環境條件有關，也與船舶任務不同而不同，目前還沒有一個統一的標準。但總體來看，船舶的耐波性指標主要可以分為兩大類：一類是單項指標，即針對耐波性中某一性能的指標；另一種則是對感興趣的若干耐波指標的綜合評價。在實際中，根據船舶設計要求和工作任務決定選擇采用單一指標還是綜合指標。

3.1 耐波性單項指標

（1）船體的絕對運動幅值。主要包括橫搖角、縱搖角、垂蕩、甲板上某點的垂直位移和船底某點的垂直位移。橫搖角、縱搖角和垂蕩與船員的舒適性、儀器設備能否正常運行密切相關，橫搖角若過大會直接影響船舶的安全。甲板上某點垂直位移的大小對于具有艦載機能力的船舶是一個重要的衡準指標，會關系到飛機的起降安全。

（2）橫搖運動周期。為避免船舶與經常遭遇的波浪發生橫搖諧搖，因此，有時需要對橫搖固有用期提出限制要求。例如，東海一帶海域時常會遭遇到50～60m海浪波長，相應的波浪周期應設置在6s左右，所以，在這一帶航行的船舶的橫搖固有周期應盡量避開這一數值。

（3）絕對加速度。絕對加速度包括垂向加速度和暈船率。其中，垂向加速度的大小與垂向慣性力成正比，過大的慣性力可能會損傷設備、降低系統的效能；暈船則主要取決于運動加速度和運動周期，隨著垂向加速度的不斷增加，暈船率會顯著增加。

（4）相對波面運動。產生耐波性的船體相對波面運動主要包括船艏底部砰擊頻率、甲板淹濕頻率、螺旋槳出水概率等，不同類型船舶的相對薄面運動評價指標不同。例如，相對于壓載航行的貨船，需要考慮的艏部砰擊頻率和螺旋槳的出水概率。

（5）波中失速。船舶在風浪中的失速是指在推進動力裝置功率調定后，在風浪中較在靜水中航行時航速的降低值。不包括主動減速因素，即不包括船舶在風浪中航行時為減少風浪對船舶的不利影響而認為調低主機功率，使航速較靜水中下降的數值。

3.2 耐波性綜合指標

船舶的綜合性指標主要是船舶作業時間百分數和船舶期望航速百分數兩大類。其中，①船舶作業時間百分數是指船舶在規定的裝載及環境條件下執行任務時所能成功作業的百分數。其中：TW表示海浪中可以完成作業任務的時間；Ts表示船舶在靜水中可以完成的作業任務的時間。②船舶期望航速百分數是指船舶在相同的裝載及污底情況下，在海浪中航行兩或多地的平均速度同靜水中設計航速的比值，這一比值等價于運行時間指標，即船舶在靜水中的航行兩或多地所需時間與其在給定海況或季節航行于該地的實際需要時間比值。其中，VW表示海浪中航行兩或多地的平均速度；Vs表示船舶在靜水中的設計航速；ts表示海浪中航行兩或多地實際所需要的時間；tw表示靜水中以設計航速航行兩或多地所需的時間。

上述給出了船舶設計時其耐波性指標時所需要參考的衡準指標，計算這些耐波性指標是還應綜合考慮必備條件因素：船舶的任務布置，即設計船舶的主要任務以及各任務的相對重要性要設計時就明確；兩種耐波性衡準組，要合理選定；結合海況條件實際，選擇簡單又可靠的計算方法；船舶作業區域的主要海況資料等。

4 船舶耐波性設計綜合評估法及應用

4.1 船舶耐波性設計綜合評估法

根據船舶設計要求和調查分析，依據母型船法和經驗法等傳統方法，現行確定船舶的主尺度設計范圍。在主尺度設計范圍內選擇N個主尺度船舶設計方案，并從線型設計、艙室布置、甲板等做好每一個方案付諸實施。并根據方案設計出的裝載工況的穩性和強度等船舶基本性能指標，對比分析確定M個現實可行的主尺度設計方案，通過對比確定設計船舶的耐波性能影響因素和衡準指標，然后再對M個主尺度設計方案的耐波性能指標進行計算和相應的對比分析，在M個方案中確定一個最佳的主尺度設計方案，再根據航海規范以及其他規范計算出典型的裝載工況，結合船舶主要耐波性能因素和性能指標選擇出一定的裝載工況計算，并分析設計的船舶的耐波性能指標，最后做出綜合性的評估。

4.2 船舶耐波性設計綜合評估法應用

通過3000t起重工程船舶設計為例，就綜合評估法在船舶的耐波性設計中的應用進行探討。其中，主要包括兩個方面內容：3000t起重船的主尺度設計方案比對優選；評估設計船舶的耐波性能。

（1）主尺度比對優選。3000t工程起重船舶主要應用于非旋轉吊臂起重作業起吊重物所用，其中重要考慮的性能設計指標包括船舶的穩性、船舶結構強度以及調傾能力等。此外，作為無推進動力裝置，起重船舶的阻力性能如何會影響傳播的調遣能力。因此，要從結構強度、穩性、調傾能力、耐波性能以及阻力等方面綜合考慮船舶的主尺度設計。為此，應從穩性指標、耐波性指標以及結構強度指標等，將這些指標進行計算和分析，最終優選出合適的起重船舶主尺度，并將其作為最終設計方案。

（2）主尺度設計方案。針對3000t起重工程船舶的特點，參照母型船以及之前的成果，根據工程起重船舶的作業特點和海域情況，確定船舶長度為98-102m，船寬為41-45m。結合船舶、船寬設計長度或寬度對起重船舶的穩性、阻力和耐波性的實際影響，制定出了9套主尺度設計方案：船長分別選擇98m、100m、102m，船寬選擇為41m、43m、45m。根據先前設計經驗，以及母型船的船舶作業任務，確定船體布置、艙室劃分等主要機械布置，確定9套空船重量設計方案。再根據這9種方案設計船體模型，并將9種方案所裝載的工況進行計算。為便于優選比對，將9個方案設計中的模型參數進行統一規定：裝載工況相似，吃水深度均為4.5m；船舶的橫搖慣性半徑和縱搖慣性半徑按照裝載工況沿設計船舶的船長方向的質量分布進行計算。船舶橫搖阻尼系數取船體臨界阻尼系數的6.5%；船舶的重心則根據NAPA模型計算獲得。9種方案的船舶船艏和船尾線型設計相似。海浪譜選擇船舶設計規范中所規定的P-M譜。

結合起重船舶設計任務書的要求，后期船舶作業及海域的抗風海況分別是H1/3=3m、波浪跨零周期T=8s，以及H1/3=2.5m、波浪跨零周期T=6.5s，此時，海況條件作為耐波性能指標對比波浪環境條件。

最后將9種船舶主尺度方案的穩定性指標、結構強度指標和耐波性指標以及阻力性能指標進行計算比選，得出最優設計方案。

[1]李積德.船舶耐波性[M]哈爾濱.哈爾濱船舶工程學院出版社，1992

U662

A

1006—7973（2017）10-0037-02

10.13646/j.cnki.42-1395/u.2017.10.016