船舶設計中操縱性能的重要性分析

摘 要：船舶的操縱性能和安全性是衡量船舶性能的重要指標，航行速度是提高航運效益的關鍵因素，因此，在平衡兩者關系是船舶設計者的重要思路。運用模型模擬試驗的方法對船舶在載況不同情形下的航向穩定性試驗，分析試驗結果取得船舶操縱能力及操縱性和船舶航速的關聯關系，以及船舶載荷對操縱能力的影響，做出了一艘船舶載荷不同航行穩定能力和航向穩定性不同的結論，為優化船舶設計方案提供了技術數據。

關鍵詞：船舶設計；操縱性與穩定性；推力系數；航行速度；模型模擬試驗；評價分析

中圖分類號：U661.3

文獻標志碼：A

0 引 言

船舶的安全性和操縱性是衡量船舶性能的重要指標，隨著航運經濟的高速發展和船舶大型化、高速化及智能化水平提高船舶水上航行安全能力不斷提升，但仍有船舶海難事故時常發生，事故致因之一為船舶的操縱能力不佳。

因為影響船舶操縱能力的因素較多，各類型船舶的性能評估標準不同，應對不同船型使用需求指標權衡各個性能間的重要性及平衡各個性能相互關系。例如：海上航行運輸集裝箱船舶和港作拖船的性能要求不同；集裝箱船舶追求航行速度，但港作拖船追求操縱性、航速等。同時，集裝箱船舶的操縱能力、操縱性以船舶航向的穩定為第一要務，因為航向穩定能力好的船舶不用頻繁用舵可使船舶航跡近似直線，從而減少了航程，提高了航運效益。

近年來，我國船舶操縱性研究中取得了一定成果，例如：侯向勇[1]使用湘江近尾洲港船閘下游的航道小尺度船舶模型試驗提出了航槽分槽試驗方案，基于典型的內河船舶構建三自由度的船舶MMG航行數學模型，對不同航經航槽船舶進行操縱性模擬和仿真，并介紹方程求解方法；王習建等[2]運用70%密集程度非凍結的模型冰，在約束模型式進行旋臂水池試驗，試驗取得不同漂角情形下固定半徑船舶受到的側向力、縱向力及其偏航力矩；解國強[3]基于梳理基礎理論的計算公式求解，在計算結果的基礎上運用MATLAB的GUI編程方法構建了三大時間常數和兩船舶的操縱性能指數的計算求解平臺，并采用實船試驗驗證平臺求解結果的準確性；陶峰[4]為了提高航行船舶操縱性能數值預報的準確度，采用KVLCC2船模作為研究對象，按照航行船舶的操縱性能數值預報的黏性流求解計算相關要求，運用數值模擬方法，探討船舶淺水進行斜航航行粘性流場和水動力求解計算法；王立鵬等[5]運用半物理航行船舶仿真平臺進行綜合性計算法驗證，根據電子海圖進行初始設計的5個航點的二次尋優，對重新設計后的7個航點進行船舶航線避讓目標船航行，證明計算法具有可行性；師超[6]基于ITTC推薦的船舶操縱性自航試驗模型不確定度導則，運用ISO-GUM法建立船舶操縱性能自航試驗模型不確定度法，選取一集裝箱船舶作為研究對象，求得船舶操縱性能自航試驗模型不確定度的水平值，包括Z形試驗和回轉試驗。

因為船舶操縱性能不僅船舶旋回性和穩定性之間相互矛盾和制約，其他性能指標也存在矛盾，從而需要綜合船舶設計指標、充分考慮船舶設計中船舶操縱能力和操縱性的合適地位。本研究選取一艘載重噸萬噸級油輪和2萬DWT散雜貨船作為研究對象，分別進行航速試驗和載荷不同的船舶吃水不同操縱性試驗，分析試驗結果，為優化船舶設計方案提供理論支持。

1 操縱設備對航速的影響

1.1 船舶操縱的舵力問題

船舶航行速度在船舶設計中首先考慮的重要因素，因為它是新建船舶試航評價此船設計考核指標的重要依據。但是，大多航運企業和船舶對于船舶的快速性評價時，沒有充分地考慮到船舶快速能力受操縱設備的影響程度。船舶操縱設備中舵作為最普遍應用在各類型船舶上，舵面積是設計舵的操縱性能重要衡量指標，但是對影響操縱性能的舵剖面、平衡系數、舵展舷比和舵外形狀等因素缺乏重視。目前，船舶普遍選用NACA舵剖面外形形狀式，因為參數復雜，如果選擇有誤差則對舵力產生較大影響[7]。進入21世紀，上海船舶運輸科學研究所對一艘載重噸萬噸級油輪進行了航速試驗作為設計預報，此型油輪為NACA0022雙舵雙槳型船舶[8]。船模模擬試驗中測得其自航推動力減額系數為0.34，明顯大于試驗數據庫內的歷史試驗結果[9]。

1.2 分析設計方案

本研究分析的重點是船舶槳后面的舵是否存在設計缺陷。

船舶的舵通常采用NACA形狀的舵剖面，NACA形狀的舵剖面因為剖面肥厚，導致槳后大量積水而加大水阻力，從而此舵減額系數較大[10]。

因為舵剖面肥厚的舵可有效減少使舵時升力失速且增大升力系數[11]，從而設計者對舵桿直徑大的船舶選擇NACA0022舵，如圖1所示。NACA0022舵設計的缺陷在于只重視增加操縱能力，沒有重視舵剖面形狀對船舶快速性具有的較大影響。

1.3 修改設計方案

因為NACA0022舵剖面肥厚的缺陷，在船舶舵的其他項參數不改變的情況下，選取NACA0015舵剖面設計方案；且在此方案基礎上適當增加船舶螺旋槳直徑[12]。在進行了這兩項均舵設計優化方案后進行模擬試驗，舵剖面原設計和修改后的方案進行比較，結果見表1。

1.4 試驗驗證

對2種設計方案的舵剖面進行自航試驗取得相關數據進行比較分析；從結果分析可以看出，原設計方案采用NACA0022舵剖面形狀，此設計方案螺旋槳的直徑為3.13 m，而優化后的設計方案NACA0015舵剖面形狀的螺旋槳增加直徑到3.45 m，兩種自航試驗結果進行比較，見表2。

表2的比較結果可知，舵剖面NACA0015設計方案最大可能性減小了減額系數，增強了舵推力效能，提升了船舶快速能力和快速性。現有設計方案表明，船舶設計工程師綜合考慮各項參數作用和性能并作出恰當定位[13]，原設計方案舵剖面肥厚缺陷可采取優化方案解決，設計船舶重點在于解決快速能力和快速性且細化各性能參數達到各性能之間保持均衡，取得船舶設計的最優結果。

2 不同載況的船舶操縱能力

2.1 船舶載況

新造船舶出廠交付前需要試航試驗，此試航船舶處在壓載狀態，從而試航報告往往出現偏差[14]。上海船舶運輸科學研究所選取一艘載貨量2萬DWT散雜貨船作為研究對象，通過模型壓載量不同的船舶吃水量不同回直操縱性模擬在此處鍵入公式。試驗[15]，分析試驗結果后做出了差異較大的結論，對同一艘散雜貨船舶在載況不同情形下的航向穩定狀態不同：船舶結構處于吃水狀態時航向穩定困難而穩定性差，當船舶處于壓載航行時航向易于穩定從而穩定性好，結果如圖2所示。

船舶處于壓載航行狀態的試驗 船舶處于結構吃水狀態的試驗

2.2 分析船舶穩定性

船舶操縱線性化微分運動方程組為：

（?XW×W+（n?Xw ? w-（Xv?nu1V?（X· v? -nys）v? =Xσ×σ

?Yu （u-u1）+（n-Yu ? ）u? = 0

?Mw×W?（Mw ? ?nys）（w-（Mv· ?nys×） u1）V+（J2-Mv? ）v? =Mσ×σ）（1）

式（1）中XW、Yu、 Mw、Yu ? 、Xw ? 、Xv、X" v? 、Xσ、Mσ，表示導數水動力系數；σ表示舵角；W表示x方向的分速度，u表示y方向的分速度；V表示船舶旋回角速度；w·表示x方向運動加速度；u·表示y方向的運動加速度；v·表示旋回角加速度。

船舶固定控制狀態σ=0，船舶初始運動狀態u1是常量，而且W1=V1=0；假定?u=u-u1，?W=W，?V=V。

因為船舶初始運動狀態受小擾動影響較大，所以方程公式可簡化為：

n（w· +Vu1 Ysv· ）=Xw×W+Xv×V+Xw×w +Xv×v

n?u =Yu ?u+Yu·?u

J2v· +nYs （w· +Vu1）=Mw×w+Mv×v+Mw×w+Mv·×v· （1）

水平狀態船舶航向的穩定性研究，主要取決于式（2）的第一式和第三式，即：

（n?Xw? ）w ? ?Xw×w=（Xv?nu1）v+（XV·?nYs）v ?

（nYS?Mw）（w?Mw? ×w=） （Mv?nYs×u1）×v?（J2-Mv? ）×v ? （3）

式（3）表示一階常微分的二元方程組，如果去除其中w和w·可取得v二階常微分的方程：

Ysv·+Bv·+D=0（4）

式（4）中，A=Xw （J2?MV ? ）+Mw （nYs?Xv ? ）+（n?Xw· ）（nYsu1?Mv? ）?（nYs?Mw?" u1?Xw）

B=（n?Xw·）（J2?Mv·）?（nYs?Mw· ）（nYs?Xv·）

D=?Xw（nYs?Mv）+Mw（nu1?Xv）

公式（4）特征性方程式為：

B?2+A?+D=0

所以，航行角速度v的水擾動方程求解式為：

v=v1g?1k+v2g?2k

同理，航向橫向運動速度w的水擾動方程求解式為：

w=w1g?1k+v2g?2k

如果特征性根?1和?2均有負實部，此時水擾動后擾動量w和v隨時間增大而逐漸近似于零，表示w和v參數可恢復到始狀態，此為具有航向穩定性，保持此運動穩定狀態的船稱為“保持穩定航向”船舶。

分析?1和?2得出條件性穩定為A/Bgt;0和D/Bgt;0，而水線性組由A、B和D的動力導數構成，其A值的4項中，第一項和第三項比第二項和第四項數量級大，從而負值小于正值，即A始終保持正值；B值一定為正值；所以滿足條件Dgt;0，可達到船舶航向穩定的要求，即滿足保持航向的條件。

從上述分析可知，特征性方程求解過程可與D值的計算相互進行轉換。如果Dgt;0，表示處于水平面航行船舶具有較好的直線運動穩定性；如果Dlt;0，表示處于水平面航行船舶不具有直線運動穩定性。

船舶處于不同載荷狀態的D值不同，例如：本研究舉例的2萬DWT散雜貨船在壓載航行狀態時Dgt;0；在船舶結構處于吃水狀態時Dlt;0，以此證明此船不具有直線運動穩定性。對D值影響的參數主要為水動力線性導數Xw、Mw、Xv和Mv，船舶航向增強穩定性需要增加Mv和Xw的負值，增大Mv和Xw乘積正值，從而提高保持船舶航向穩定能力和穩定性。

2.3 分析試驗結果

上述條件性穩定的分析，為決定提升航行船舶航向穩定性能策略提供了理論依據。本研究舉例的2萬DWT散雜貨船處于壓載航行狀態時，船舶舵剖面的系數從原來船舶結構處于吃水狀態1.707%增大到3.0%。船舶處于壓載航行狀態時，船艏吃水小而船艉吃水較大，所以船舶水線以下前部縱剖面的面積遠小于后部縱剖面的面積，即增大Mv負值，轉變Mw值使其保持正值，提升航向穩定能力使船舶提高航向穩定性。但是，此舉例2萬DWT散雜貨船在船舶結構處于吃水狀態回直操縱性模擬試驗結果表明其穩定性差。從模擬試驗可得出，一艘船舶處于不同載荷狀態時其航行穩定能力和航向穩定性能截然不同。

3 結 語

船舶操縱能力和操縱性是設計者重點考慮的因素，也是船舶航行的重要性能。船廠新造船舶交船前試航往往不能使船舶在滿載狀態提交性能數據供驗收，在船舶設計初期應進行壓載狀態及設計狀態模型試驗，并取得兩者相應的差值，以評估得出實船設計的性能指標，以達到國際海事組織IMO A.751決議對新造船舶性能的要求。在船舶設計中船舶操縱能力和操縱性應有合適的重要地位，確認線型設計方案時，應布局好舵面積等操縱裝置，避免因操縱性能差而后期修改線型。

參考文獻

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基金項目： 國家重點研發計劃項目——北極航道通信導航保障技術研究與系統開發（2021YFC2801000）

作者簡介：

李成海， 正高級船長， 副教授， 主要研究方向： 海上航行安全. （E-mail） LICHENGHAI@163.com