【文章內(nèi)容簡介】 舶完整穩(wěn)性及破艙穩(wěn)性方面的研究理論及其意義。 . 船舶完整穩(wěn)性的研究 完整穩(wěn)性即船舶未破損狀態(tài)下的穩(wěn)性?；仡櫰溲芯繗v史，早期人們集中于船舶各種靜穩(wěn)性參數(shù)的研究，如初穩(wěn)性高度、復(fù)原力臂曲線的特征值等；研究方式是通過統(tǒng)計(jì)各類海損事故船舶的靜穩(wěn)性參數(shù)，提出相應(yīng)的界限，作為控制船舶穩(wěn)性的判據(jù)，如 IMO A167 決議 ,至今這些判據(jù)仍是各種穩(wěn)性規(guī)則的主要內(nèi)容之一。隨著船舶在波浪中運(yùn)動計(jì)算方法及模型試驗(yàn)技 術(shù)的發(fā)展，聯(lián)系船舶在波浪中運(yùn)動的動穩(wěn)性判據(jù)也逐步增加到各種穩(wěn)性規(guī)則中，但由于合理動穩(wěn)性的判據(jù)涉及船舶在極值海況中的運(yùn)動計(jì)算 ,涉及很多非線性問題難于解決，故后期的研究工作主要集中在這個方面。 船舶在惡劣海況中傾覆的主要模式 早期的研究工作重點(diǎn)放在船舶在橫風(fēng)、橫浪中的傾覆模式研究，即假定船舶無航速、處于橫浪諧搖狀態(tài) ,同時受橫風(fēng) (定常風(fēng)及陣風(fēng) ) 作用，通過計(jì)算橫搖角及風(fēng)對船舶的作用力來判斷船舶能否承受各種海況中風(fēng)浪的作用。如 IMO A. 562 決議中的氣象衡準(zhǔn)就是采用這種模式制定的。這個衡準(zhǔn)已得到廣 泛的應(yīng)用，在保證常規(guī)船舶完整穩(wěn)性方面是有效的。但仔細(xì)分析，這種衡準(zhǔn)還有一定的局限性。通過對一些船舶傾覆事故的分析及關(guān)于船舶傾覆事故的模擬試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)符合 IMO 完整穩(wěn)性衡準(zhǔn)的船舶仍會發(fā)生傾覆事故，但不是在橫浪中，而是在船舶處于隨浪及尾斜浪航行狀態(tài)。從而提出了關(guān)于船舶傾覆模式的研究，并進(jìn)行了大量的模擬試驗(yàn)及數(shù)值計(jì)算分析。目前 ,主要集中在下列三種模式： 7 (1) 靜穩(wěn)性損失靜穩(wěn)性損失指船舶處于波峰狀態(tài)時的復(fù)原力臂減少，常發(fā)生于以低遭遇頻率航行于隨浪及尾斜浪中的船舶。尤其是隨浪航行時 ,船速接近波速，船長接近波長 ,波峰 處于船中時，復(fù)原力臂會在一定時間中減少 (甚至為負(fù)值 ) ，若受到波浪或其它橫向力的作用，會導(dǎo)致船舶傾覆。這種模式已被大家接受，并提出了各種計(jì)算復(fù)原力臂減少的計(jì)算方法，但如何合理應(yīng)用到穩(wěn)性規(guī)則中，有待進(jìn)一步探討。 (2) 動穩(wěn)性損失 動穩(wěn)性損失是指船舶處于極值橫搖狀態(tài)的復(fù)原能力減少所產(chǎn)生的動穩(wěn)性損失。這種模式中傾覆的船舶有下列現(xiàn)象： ① 尾斜浪中大幅度橫搖 以一定速度航行于尾斜浪中的船舶會有六自由度的耦合運(yùn)動，其中橫搖、縱蕩、橫蕩、首搖會大幅度變化。當(dāng)船舶劇烈橫搖到下風(fēng)側(cè)時，波峰處于船中，再反向橫搖至上風(fēng)側(cè)時船中 處于波谷。由于耦合縱蕩運(yùn)動，使船舶在波峰中的時間大于在波谷中的時間，且導(dǎo)致復(fù)原力在一個橫搖周期中不對稱地減少及恢復(fù) ,使橫搖運(yùn)動逐漸發(fā)展到危險狀態(tài)，甚至傾覆 ,一般向下風(fēng)側(cè)傾覆。 ② 參數(shù)激勵 航行于縱向波浪中的船舶，由于波峰和波谷反復(fù)通過船舶，在波長接近于船長時，會導(dǎo)致復(fù)原力臂值周期性變化，當(dāng)波峰通過船中時，會引起大幅度橫搖運(yùn)動。橫搖常發(fā)生于波浪遭遇周期等于船舶自搖周期或 2 倍于自搖周期情況。這種參數(shù)激勵 (又稱低周諧搖 ) 現(xiàn)象在尾斜浪航行狀態(tài)很危險，會導(dǎo)致船舶傾覆。在迎浪航行中亦觀察到大幅度橫搖現(xiàn)象，這種現(xiàn)象已 被模擬試驗(yàn)及數(shù)值計(jì)算所證實(shí) ,提出了各種數(shù)值計(jì)算方法。 ③ 沖擊激勵 陡的破碎波對船舷的沖擊，會影響到船舶動力狀態(tài)，引起船舶劇烈橫搖，甚至吞沒船舶，常發(fā)生于波浪中航行的小船。這種現(xiàn)象不包括因沖擊而產(chǎn)生的甲板室損害及進(jìn)水的影響。 ④ 分叉 船舶在波浪中的橫搖響應(yīng)，在同一波浪頻率下，會從一個小幅度的橫搖穩(wěn)定狀態(tài)跳躍到另一個大幅度的橫搖穩(wěn)定狀態(tài)。目前僅局限于規(guī)則波研究。經(jīng)分析 ,在具有窄譜的不規(guī)則波中亦會出現(xiàn)這種情況 。 ⑤ 轉(zhuǎn)首 轉(zhuǎn)首是指波浪中航行的船舶，由于波浪擾動引起的首向角大幅度變化，并轉(zhuǎn)向橫浪 8 的現(xiàn)象。如處于騎浪狀態(tài) 的船舶受到橫向力作用而突然轉(zhuǎn)向到橫浪狀態(tài) ,將是很危險的。 (3) 其它 上述的傾覆模式中 ,同時發(fā)生甲板上浪。大幅度相對運(yùn)動及破碎波導(dǎo)致的甲板浸水、液體自由表面效應(yīng)及水的晃動。大幅度橫搖運(yùn)動及高加速度引起的貨物移動，有時是很致命的因素。 [1] 船舶完整穩(wěn)性的數(shù)值模擬技術(shù) 上述的船舶傾覆模式大都已被物理模型試驗(yàn)所證實(shí)，尤其是近年來進(jìn)行的搖控自航模在天然風(fēng)浪中或在試驗(yàn)水池試驗(yàn)，并分析了導(dǎo)致傾覆的各種因素。也有的是在數(shù)值模擬計(jì)算中發(fā)現(xiàn) ,再經(jīng)物模試驗(yàn)證實(shí)的。為了系統(tǒng)分析船舶傾覆機(jī)理，應(yīng)用各種數(shù)值模擬方法，尤其是涉及傾覆數(shù)學(xué)模型的非線性處理方面，進(jìn)行了大量工作。 目前采用的計(jì)算數(shù)學(xué)模型大多采用六自由度的船舶運(yùn)動方程，也有采用四自由度運(yùn)動方程。方程中除考慮耐波性計(jì)算中有關(guān)的水動力項(xiàng)及波浪擾動力外，同時考慮操縱、推進(jìn)、阻力等各種因素，更能完善地進(jìn)行船舶傾覆過程模擬及分析各種影響傾覆的主要因素。 目前采用的數(shù)值模擬方法有 ： (1) 混合時域法 該法在水動力系數(shù) 處理方面，主要采用線性模型，再附加影響研究傾覆必不可少的非線性項(xiàng)。 (2) 非線性時域法 該法向考慮所有的非線性項(xiàng)方向發(fā)展 ， 目前已實(shí)際應(yīng)用的是非線性二維勢流理論(不考慮航速 ) 或高階勢流理論 (考慮航速方面 ) 等。 (3) 非線性系統(tǒng)動力學(xué) 通過求解給定初始條件的非線性方程 ， 直接估 算傾覆的臨界狀態(tài)。對于橫浪，重點(diǎn)放在混沌關(guān)系；對于尾斜浪狀態(tài)，主要考慮轉(zhuǎn)首現(xiàn)象。 (4) 直接概率估算 常用的方法有：相平面法，馬爾可夫過程理論，用于估算船舶在不規(guī)則海浪中的傾覆概率。 上述兩種非線性時域模擬技術(shù)中，利用 CFD 模型 來估算甲板上浪的動力。 [4] 9 破艙穩(wěn)性研究 過去 ,由于船舶破損后的進(jìn)水過程及破損船舶在海浪中的傾覆現(xiàn)象極為復(fù)雜，難于通過建立合適的數(shù)學(xué)模型及模型試驗(yàn)來分析，關(guān)于破艙穩(wěn)性的研究很少，只在 1960 年SOLAS 公約中提出了剩余穩(wěn)性標(biāo)準(zhǔn) (GM = 0. 05m) 。但發(fā)生導(dǎo)致大量人員生命財產(chǎn)損失的災(zāi)難事故后，引起了人們的高度重視 ,相繼提出了基于確定性及概率方法的船舶破艙穩(wěn)性國際規(guī)則。以后又因 RORO 船的一系列事故，又針對 RORO 船的甲板上浪問題，提出了新的穩(wěn)性要求，主要是 SOLAS’90 以及 Stockholm 條約。這些都是目前船舶設(shè)計(jì)的主要依據(jù)。嚴(yán)格說，這些規(guī)則都缺乏相應(yīng)的理論及試驗(yàn)依據(jù)，有一定局限性。為此，近年來進(jìn)行了大量的模型試驗(yàn)及數(shù)值模擬計(jì)算工作。 [5] 模型試驗(yàn) 近年來，在 SOLAS’90 及 IMO14 決議提出模型試驗(yàn)方法以來，國際上進(jìn)行了大量試驗(yàn)。試驗(yàn)都是針對破損事故船舶進(jìn)行的。主要研究內(nèi)容有：破艙船舶的抗傾覆能力，影響舷側(cè)碰撞破損的主要因素，影響破損穩(wěn)性的內(nèi)部艙壁結(jié)構(gòu)形式等。對于 RORO 船進(jìn)行的重點(diǎn)研究內(nèi)容是：船舶破損后在海浪中的運(yùn)動了，甲板上浪的水量、水深及破 損位置的相對運(yùn)動等，以及破損開口形狀對進(jìn)水速率的影響，波浪參數(shù)的影響等。 其中值得提到的一個重要試驗(yàn)結(jié)果是：提出了破艙 RORO 船甲板上水的臨界高度 h 與有義波高 HS 的關(guān)系，又聯(lián)系干舷提出了 h 與 HS 的修正關(guān)系。 h 比例于 HS (0. 97 + 0. 46 F) 這個關(guān)系式提供了估計(jì)隨機(jī)海浪中破損客滾船傾覆界限的直接方法。 [6] 數(shù)值模擬技術(shù) 破損船舶的動力性能及進(jìn)水過程是一個高非線性的變化動力系統(tǒng)，必須使用時域模擬方法。且前面關(guān)于破損船舶動力性能的研究包括下列方面： 破損船舶動力模型 —— 采用非線性的六自由度耐波性模型，能同時考慮漂移以及質(zhì)量、質(zhì)心、平均姿態(tài)、環(huán)境擾動等隨時變化的因素。 水進(jìn)入及流出模型 —— 應(yīng)考慮在惡劣海況中多個分艙進(jìn)水及水的晃動因素，從而能研究對破損殘存能力的影響。 進(jìn)水與船舶運(yùn)動間的相互影響 —— 破損后船舶進(jìn)水及船舶運(yùn)動是兩個密切相關(guān)的問題，進(jìn)水影響運(yùn)動，運(yùn)動影響進(jìn)水，應(yīng)建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行研究。 10 關(guān)于進(jìn)水過程的模擬，目前主要在于破損開口形狀的研究分析。進(jìn)水的影響采用準(zhǔn)靜態(tài)方法，即假定水表面水平，進(jìn)水的影響取決于進(jìn)水量的相對大小、內(nèi)部水深、諧搖、進(jìn)水與整個船舶動力相互影響 產(chǎn)生的附加效應(yīng)。 [7] 11 第三章 船舶穩(wěn)性 認(rèn)識 上的誤區(qū) 一般水面船舶的穩(wěn)性主要是指橫傾時的穩(wěn)性。船寬、水線面系數(shù)、干舷、重心高度、水面以上的側(cè)面積大小和高度以及船體開口密封性的好壞等，是影響船舶穩(wěn)性的主要因素。船舶穩(wěn)性過大時，船舶搖擺劇烈、船員工作生活不適、船用儀器使用不便、船舶結(jié)構(gòu)受力過大，更嚴(yán)重的是貨物因劇烈搖擺而移動，從而使船舶出現(xiàn)較大初始橫傾。船舶穩(wěn)性降低，甲板易