基于NAPA的破艙穩性計算

孫文利，李輝，劉仕蓮，朱小艷，袁昌寶，焦海濤

（中船黃埔文沖船舶有限公司，廣東 廣州 511462）

1 前言

船舶破艙穩性是保證船舶安全的重要指標。船舶設計和建造過程中核算破艙穩性，以確定透氣管、通風口、小艙蓋等高度安全范圍，對建造中需要整改的項目起到預警的作用。

2 規范要求

規范對船舶破艙穩性有明確規定,如破損范圍、破損前初始狀態假定、破損后平衡和穩性要求、滲透率等。

2.1 破損范圍假定

根據國際載重線公約和SOLAS 規定：垂向破損范圍，假定自基線向上無限制；橫向破損范圍在夏季水線上船側及向內延伸min{B/5,11.5 m}；縱向破損范圍假定是min{Lbp2/3,14.5 m}，當相鄰兩道橫艙壁間距大于上述值，則是一艙進水，否則二艙進水。船長大于150m 時才考慮機艙破損進水；若有比上述破損范圍為小卻能造成更為嚴重后果時，則應按較小的破損范圍計算。

2.2 破損前初始狀態假定

破損前的假定初始狀態如下：

（1)船舶裝至夏季水線且無縱傾；裝載均質輕貨；所有貨艙是滿載。若裝液貨，則貨艙裝滿至98%。

（2）消耗品液艙，考慮個別艙裝載量為50%。液艙應假定至少有一對橫向艙或一個中心線上艙具有最大自由液面,余下的艙柜應假定為空倉或滿艙；消耗液體在艙內的分布應使重心獲得最大可能的高度。

（3）除上述裝有消耗液體艙柜外，其他液艙應考慮橫傾角≤5°時最大自由液面或實際自由液面影響。

（4）比重（t/m3）：海水 1.025，淡水1.0，燃油0.95，柴油0.85，滑油0.90。

2.3 破損后平衡狀態和穩性要求

破損后的平衡和穩性如滿足下列要求則認為合格：

（1）船舶進水后的最終水線應位于可能發生繼續向下浸水的任何開口下緣的下方；

（2）進水后橫傾角不超過15°，若甲板無任何部分被淹沒，則可允許此角度增加到17°；

（3）在船艙進水狀況下的初穩性高度為正值；

（4）復原力臂曲線超過平衡位置有20°的最小正值范圍且最大復原力臂≥0.1m，曲線下面積≥0.0175rad·m。

2.4 滲透率

法規要求的艙室滲透率如下：

?

3 破艙穩性計算實例

選擇合適的計算軟件，在軟件中完成破艙穩性計算。

3.1 軟件的選擇

目前破艙穩性計算軟件有MAXSURF、RHINO、FREESHIP、COMPASS、NAPA 等，其他軟件比NAPA容易上手，但國內各設計院、審圖中心多用NAPA 計算、設計、審圖，所以選擇NAPA 作為本項目的計算軟件。

3.2 基礎數據整理

本船基礎數據設置：總長199.90m；垂線間長194.50m；型寬32.26m；型深18.50m；結構吃水13.30m；設計吃水11.30m；船舶類型“B-60”型。

3.3 建立船體模型

按型線圖和型值表建立船殼模型，本船是常規船型，建模到艏樓甲板已經能滿足性能計算。

圖1 船體NAPA 模型

3.4 總布置和分艙

艙室布置和分艙是破艙穩性計算的基礎，包含艙室劃分、艙容、艙室滲透率定義，各艙結構縮減率為2%。

3.4.1 艉部

淡水、蒸餾水、飲用水、冷卻水艙歸淡水類，凈艙容98%，滲透率0.95，載物密度1；艉尖艙歸壓載類，滲透率0.95，載物密度1.025；舵機艙等空艙歸機器處所，滲透率0.85。

3.4.2 機艙

油艙考慮油料膨脹，艙容取95%，凈艙容98%×95%。燃油艙屬重油類，滲透率設0.95，油密度0.98；柴油艙屬柴油類，滲透率0.95，油密度0.85;滑油艙屬滑油類，滲透率0.95，油密度0.9；油渣艙、沉淀艙、污水艙、艙底水艙、泄放艙等屬消耗類，滲透率0.95，密度1。

內底以上空艙歸入機器處所，滲透率0.85；內底以下空艙歸入空艙類，滲透率設為0.95。

3.4.3 貨艙

燃油儲存艙屬重油類，滲透率0.95，油密度0.98；油渣艙、沉淀艙、污水艙、艙底水艙、泄放艙等見機艙。

五個貨艙屬貨艙類，滲透率0.95，貨物密度1。

壓載艙屬壓載類，滲透率0.95，水密度1.025。

3.4.4 艏部和艏樓

艏尖艙屬壓載類，滲透率0.95，水密度1.025。

錨鏈艙屬錨鏈艙類，滲透率0.6，載物密度1.025。

計程儀測深儀、應急消防泵艙、錨機控制室及其他空艙歸空艙類，滲透率0.95，裝載物密度1。

3.5 定義開口數據

全船開孔包含所有露天開孔，規范對其位置和高度有明確的規定，要衡準開孔的位置和高度是否滿足要求。

直接在TOC 模塊TABLE EDITOR 中定義開孔：

圖2 開孔設置

3.6 設定裝載工況

裝載設定包括下列幾種數據/參數的設定：

3.6.1 空船重量重心

NAPA 僅是面概念建模，要將船、機、電、舾等實體重量重心作為固定載荷輸入。船舶穩性對重量沿船長方向的布置很敏感，所以空船重量重心布置盡量細化，重量在X 方向的分布范圍要定義，XMIN 和XMAX 要設置，重心位置要落在該范圍中間1/3 范圍內。重量重心最終定義的理想結果是重量分布成階梯狀而不是鋸齒狀。

圖3 重量重心統計

3.6.2 定義裝載工況

本船按要求設定了50 個裝載工況和一個破艙初始工況。因貨艙的滲透率最初設計為0.95 是針對密度為1 的輕貨，實際裝貨密度0.77、1.366 等輕貨和密度是3甚至是鋼條的重貨，重貨艙室功能改為集裝箱載貨。

3.6.3 自由液面修正

四種自由液面取值：實際值；IMO Res.A.167 標準；50%裝載高度的值；用戶指定值。本船取IMO 標準，由系統計算沒裝滿的液艙自由液面。

3.6.4 各工況完整穩性衡準

NAPA 集成了各規范公約標準，可以邊配載邊校核，配載過程可顯示吃水狀態，避免出現大的縱橫傾。

圖4 配載

3.6.5 破損艙室定義（以工況INI01-DAM01 為例）

假定破損區域為尾部艙室，尾部區域進水8130.6t。

圖5 DAM01 破損狀態下破損艙室

3.6.6 平衡狀態參數計算

用平衡狀態參數計算功能得到破損后穩性和剩余復原力臂曲線特征值：

?

3.6.7 破艙穩性校核

首先設置校核用規范/公約，再用它們對穩性指標逐項校核，OK 滿足要求，否則NOT MET：

4 破艙穩性的影響因素

破艙穩性的影響因素有以下幾點：

（1）進水艙的分類：抗沉性計算中，進水艙分成三類：①破損局限在艙柜內且灌滿，將進水艙的進水載荷視作固體載荷計算；②進水艙不滿，艙內外水不通。如消防注水或破損封堵后，視作裝不滿液貨計算；③進水隨著船舶漂浮變化，若進水量不超過10%～15%時采用增加重量法或損失浮力法計算。

（2）滲透率：計算用滲透率為體積滲透率。

（3）自由液面：不滿液艙易產生傾斜力矩降低穩性。

（4）貨物裝載：滿載→部分裝載→空載對穩性影響增大；隔艙裝載破損后對穩性影響更大。

5 結束語

通過NAPA 對船舶破艙穩性計算，確定船舶穩性符合規范要求，可以推廣應用于后續各船，在生產設計中及時校核船舶的透氣管高度、通風口高度、小艙蓋高度等，降低船舶建造過程中的風險和成本。