海洋信息環境下船舶耐波性指標研究

蘇紹娟，蘭 蔚，王天霖，趙 勇

(大連海事大學 交通運輸裝備與海洋工程學院，遼寧 大連 116026)

0 引 言

20世紀70年代以來，船舶的耐波性理論計算方法迅速的發展，出現了例如新切片法、保角變換法和三維流體動力計算法等船舶耐波性理論計算的方法。

耐波性衡準主要包括造成船舶子系統性能下降的衡準和造成子系統能夠工作的極限運動水平的衡準。現在采用的衡準一般是船舶作業的極限衡準，指的是船舶在受到波浪的影響下，人員、船體或者船上的子系統能否進行作業或完成任務的極限指標[1]。

20世紀50年代初期，Denis與Pierson等把平穩隨機過程與線性迭加理論用于預報船舶在不規則海浪中的響應后，使得船舶在海浪中的性能可以從工程應用的角度去研究探討。現如今船舶耐波性理論盡管發展迅速，但是切實的把耐波性理論實際應用的還是為數不多，本次研究希望通過對海洋數據的收集整理，通過數據來探究船舶的耐波性以達到能夠對船舶的航行進行輔助的目的[2]。

1 耐波性基本理論

船舶在實際海浪中運動是船舶受到海洋環境（主要是風、浪）干擾后所產生的運動，對于船舶的航行、甲板上浪和船體彎矩有著很大的影響。1957年Korvin-Kroukovskyr提出了計算船舶縱搖升沉運動的切片理論。

切片理論將三維的船體看成一個細長體，然后分成一系列二維橫向片體，如圖1所示，而對于每一個片體，其性能都可以被計算與預測。這樣，把船體周圍三維的流動簡化為二維的，船體的水動力性能就可以通過在船體長度方向的二維片體的數值的積分（迭加）來計算[3]。

圖1 船體切片近似示意圖Fig.1 The approximation schematic diagram of the hull microtome section

Seakeeper模塊是隸屬于Maxsurf軟件中的耐波性分析模塊，是基于Salvesen等的切片理論來計算船舶升沉與縱搖的響應，基于橫搖阻尼理論對橫搖響應進行計算，由于使用切片理論，Seakeeper模塊可以提供非常精確地耐波性預測，尤其是針對肥大型船舶的計算上更是有其得天獨厚的優勢[4]。

Seakeeper中的切片理論（linear strip theory）假定船舶的運動是線性諧波，在這種情況下，對于給定波的頻率與速度船舶升沉與縱搖的響應將正比于波幅。

切片理論提出了以下假設：

1）流體是無粘性的，粘性阻尼被忽略；

2）船體是細長的；

3）船體是剛體，沒有發生結構彎曲；

4）速度適中；

5）運動幅值小（至少與波幅線性相關）；

6）水深比波長大得多；

7）船體的刨面是直壁的；

8）船體的存在對波沒有影響（Froude-Krilov假設）。

2 seakeeper數值模擬

2.1 參數設置

船長108 m，水線面長度100 m，寬18 m，吃水深度為6.6 m，標準排水量為7 700 t；橫穩心高0.74 m；橫搖衰減系數為0.15，橫搖慣性半徑為船寬的40%，縱搖慣性半徑為船長的25%。

通過Maxsurf主體程序建立船舶的船體模型，其橫剖面圖以及Seakeeper仿真軟件切片示意圖如圖2和圖3所示。

圖2 橫剖面圖Fig.2 Cross-sectional view

圖3 切片示意圖Fig.3 Ship section chart

對于局部海域的海洋環境對船舶耐波性指標影響參數如下：

風速范圍：8～22 m/s；有義波高范圍：0.5～11 m；平均波周期范圍：2～13 s；仿真時長：t=300 s；仿真步長：tb=0.01 s。

按照風速范圍取5，6，7，8，9級風，波浪力的方向是任意波方向，在進行橫搖、縱搖以及升沉的計算時，不規則波面由100個波分量組成，設定水的密度為 1.025×103kg/m3。

2.2 仿真結果

對于船舶來說，影響其運動的因素有很多，當確定了船型以及其航行區域時，浪向角、浪高與航速等因素對于船舶的運動尤其是縱向運動也有很大影響。而對于船舶的運動而言，分析其傳遞函數尤其是在規則波中的傳遞函數是較好的分析方式。

本次研究以4種航向和不同航速下的船舶運動采用Seakeeper軟件進行計算。分別以迎浪（首向與波浪行進方向夾角為180°）、首斜浪（首向與波浪行進方向夾角為135°）、橫浪（首向與波浪行進方向夾角為90°）、尾斜浪（首向與波浪行進方向夾角為45°）姿態進行勻速直線航行，并且不做滾轉、偏航與俯仰等機動，只是在海浪的作用下進行橫搖、縱搖與升沉運動[5]。

Seakeeper對不同條件的計算結果如下，其中Za，φa，θa分別為垂蕩、橫搖與縱搖的幅值；ζa，k，λ，Lwl，Fr分別為波幅，波數，波長，水線長（設計水線長）與傅汝德數。

用Seakeeper軟件對船舶以不同航速不同航向計算的結果如圖4～圖9所示，w180～w45分別表示船舶航向：

2.3 應用回歸公式算例對比

本文采用莫爾公式進行估算船舶縱搖和升沉運動的幅值。縱搖角有義值與升沉有義值分別如下式所示：

式中：lcb為浮心在中橫剖面前的縱向位置，以相對船長得百分數表示，近似取為lcb=0.05；Ryy為船的縱向質量慣性半徑，以船長的百分數表示，近似取為Ryy=0.25lw；v為船舶運動的航速，kn。系數A0～A8與風級、船長有關。

通過對比可得，seakeeper計算得出的縱搖與升沉的有義雖然與預估公式有一定的偏差，但是其總體趨勢還比較準確。計算結果與回歸公式的計算結果大體趨勢與數值接近，計算結果具有其可行性。

3 耐波性影響因素分析

3.1 指標分析

圖4 升沉（Fr=0.37）Fig.4 Heave (Fr=0.37)

圖5 升沉（Fr=0.55）Fig.5 Heave (Fr=0.55)

圖6 橫搖（Fr=0.37）Fig.6 Roll (Fr=0.37)

圖7 橫搖（Fr=0.55）Fig.7 Roll (Fr=0.55)

圖8 縱搖（Fr=0.37）Fig.8 Pitch (Fr=0.37)

圖9 縱搖（Fr=0.55）Fig.9 Pitch (Fr=0.55)

表1 船舶在波高4 m單幅有義縱搖值Tab.1 Pitch significative value in 4 m wave height

表2 船舶在波高4 m單幅有義升沉值Tab.2 Heave significative value in 4 m wave height

根據中國船舶科學研究院中心提出的耐波性衡準以及其他相關文獻參考資料，選擇耐波性衡準如表3所示[6–7]。

在局部海域內以15 kn航速135°航向不同風浪條件下耐波性指標所能達到的最大值如表4所示（耐波性指標為單幅有義值）。

(1)單礦物試驗表明，在淀粉、CaCl2的藥劑體系中，高堿條件下(pH=11.5)捕收劑CM-5捕收石英的效果與油酸鈉相當，但捕收綠泥石的效果明顯優于油酸鈉，對目的礦物赤鐵礦的捕收效果較弱。此外，CM-5對溫度的適應性要優于油酸鈉，在15 ℃時仍具有較好的選擇性捕收效率。

由圖10可以看出海洋環境的變化對船舶的耐波性有顯著影響；由圖11得出航向對升沉、橫搖與縱搖有顯著影響，在考慮耐波性時不能忽視其影響。

從表3和表4可以看出當波周期大于9 s時橫搖與船首垂向加速度還可以在衡準值之內，而縱向的運動（包括縱搖與升沉）均已大于耐波性衡準的有義值，在判斷船舶耐波性指標時已經可以認為大于波周期9 s時候的海洋環境對船舶航行造成影響[8–9]。

表3 耐波性衡準（有義值）Tab.3 Seakeeping criteria (significant)

表4 船舶耐波性Tab.4 Seakeeping individual indicators

圖10 航向為135°時升沉隨航速、波周期變化Fig.10 Heading 135° heave with speed, wave periodchange

圖11 波周期為9 s時升沉隨航速、航向變化Fig.11 Wave period 9 sheave with Speed anddirection change

4 耐波性影響因素分析

4.1 正交試驗

正交試驗以及其分析方法是目前為止非常常見的優化試驗和分析方法，用于研究多因素多水平的方法[10]。正交試驗主要以概率論和數理統計思想做基礎，利用標準正交來進行試驗的安排，通過對結果的分析找到優化方案，正交試驗采用以部分代表整體的方式，挑選出有代表性的試驗點，通過對代表性的分析對全面試驗的情況進行了解。

本次研究局部海域海洋環境對耐波性指標的影響，由于Seakeeper軟件的計算原理，需要至少提供航速、航向以及風浪數值這3個因素，每個因素分為若干水平，如果應用全因素試驗一種船型至少要進行125種左右的試驗。所以設計正交試驗來找出因素中對耐波性指標影響較大的因素，設計正交試驗組，來減少試驗組數與時間。

4.2 正交試驗設計

通過SPSS軟件進行正交試驗設計，因素為航速、航向、風速與空白列，空白列又稱誤差列是用來在正交試驗后的分析中減小誤差。通過Seakeeper軟件對設計好的正交試驗表中的條件進行仿真計算，并把得到的數據結果填寫到正交試驗表中，具體設計如表5所示。

4.3 正交試驗結果及分析

通過SPSS軟件進行分析。分析采用多變量分析，分析各個因素主要項或者說主效應之間的關系，本次研究中還選用D u c a n顯著性檢驗法進行檢驗（Ducan檢驗法指多范圍檢查，能指定a為0.05，0.01或0.1，默認值為0.05）[11]

通過SPSS進行正交分析結果如表6所示。

試驗中，heave，roll與pitch的校正的模型統計量F分別為25.353，18.833，19.047，顯著性p值都近似于0，因此所用的模型具有統計學意義，p值可以用其來判斷模型中的系數有無統計學意義。

試驗A中變異來源為航速時，因變量heave的p值為0.533在顯著水平a=0.05或a=0.1上無統計學意義，roll的p值為0.205在顯著水平a=0.05或a=0.1上無統計學意義，因變量pitch的p值為0.830在顯著水平a=0.05或a=0.1上無統計學意義，說明航速的變異來源在顯著性水平為0.05與0.1上無統計學意義，也就是說因子航速不顯著。

試驗A中變異來源為風速時，因變量heave的p值接近于0在顯著水平a=0.05上有統計學意義，roll的p值為0.008在顯著水平a=0.05上有統計學意義，因變量pitch的p值接近于0在顯著水平a=0.05上有統計學意義，這說明因子風速有統計學意義。

試驗A中變異來源為航向時，因變量heave的p值為0.010在顯著水平a=0.05上有統計學意義，roll的p值接近0在顯著水平a=0.05上有統計學意義，因變量pitch的p值為0.126在顯著水平a=0.05或a=0.1上無統計學意義。

通過試驗A對其進行方差分析可以得知以上結論，對上述結論進行總結后可以得知，航速對升沉、橫搖與縱搖的有一定的影響但并不是太顯著；風速對升沉、橫搖與縱搖有顯著的影響，對升沉與縱搖影響略大于橫搖；航向對升沉、橫搖與縱搖有顯著影響，其中橫搖與升沉的影響略大于縱搖。

由正交試驗分析結果可知，對于船舶而言環境因素對其縱搖、橫搖與升沉有很大影響，并且縱搖與升沉略大于橫搖，于本次研究中可以證明通過海洋環境有關風、浪的數據去簡單估計、衡量與判斷船舶的耐波性可行，通過局部海洋環境數據庫對海洋環境數據的檢索可以來判斷船舶在所選海域內的耐波性。

表5 正交試驗設計表Tab.5 Orthogonal design table

表6 試驗A正交試驗分析表Tab.6 Test A Orthogonal analysis table

5 結 語

本文從切片理論入手，采用seakeeper軟件進行船舶耐波性數值模擬，并通過莫爾回歸公式驗證了數值模擬的可靠性，從數值模擬結果可以看出海洋環境的變化對船舶的耐波性有顯著影響，而且航向變化對升沉、橫搖與縱搖都有顯著影響，在考慮耐波性時不容忽略。通過參考文獻給出的耐波性衡準可以看出，文中的船舶當波周期大于9 s時其縱搖和升沉都已經大于耐波性衡準的有義值，已經嚴重影響航行。并應用到統計學上的正交試驗的方法對耐波性的影響因素進行分析，并得知航速對升沉、橫搖與縱搖有一定的影響但并不是太顯著；風速對升沉、橫搖與縱搖有顯著的影響，對升沉與縱搖影響略大于橫搖；航向對升沉、橫搖與縱搖有顯著影響，其中橫搖與升沉的影響略大于縱搖。

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