船舶稳性及受撞即时倾覆影响因素分析研究

刘 威，朱发新，温小飞，吴 杨，唐振华，胡 海

● （浙江海洋学院 海运与港航建筑工程学院，浙江舟山 316000）

船舶稳性及受撞即时倾覆影响因素分析研究

刘 威，朱发新，温小飞，吴 杨，唐振华，胡 海

● （浙江海洋学院 海运与港航建筑工程学院，浙江舟山 316000）

海运事故中，船舶碰撞以其比例高、损失大、调查处理难等为航运各部门所关注，小型船舶与大型船舶之间的碰撞所造成的后果更严重，通常会引起小型船舶的即时倾覆，瞬间沉船。从船舶稳性的基本概念出发，研究了船宽、干舷高度、船舶装载状态、船舶内重物移动、船舱自由液面及悬挂重物对船舶稳性的影响。针对船舶碰撞中的小型船舶，运行船舶碰撞的能量守恒及动量守恒等基本理论，分析船舶的质量比、速度比及船舶稳性变化等因素对小型船舶受撞即时倾覆的影响。

船舶碰撞；稳性；即时倾覆；影响因素

大型船舶（集装箱船、散货船等商船）与小型船舶（渔船、驳船等）之间的碰撞造成的后果更严重，经常会引起小型船舶即时倾覆，由于逃生和抢救时间太短，造成人员伤亡或失踪人数较多、货物损失和直接经济损失巨大等。开展船舶稳性及受撞即时倾覆影响因素分析研究对延长船员逃生和抢救时间，提高获救机会等方面具有重要意义。

1 船舶稳性

1.1 船舶稳性的概述

船舶稳性，是指船舶受到风、浪、流及碰撞等外力作用离开平衡位置而产生倾斜，当外力消除后能够自行恢复到原来平衡位置的性能。

船舶稳性通常可分为横稳性和纵稳性，其中横稳性是指船舶横向倾斜时的稳性；纵稳性是指船舶纵向倾斜时的稳性。一般情况下，船舶不会因为纵稳性不足而倾覆，因此船舶稳性问题通常为船舶的横稳性问题[6]。

船舶稳性的其他分类具体如下：

1）按倾斜角度大小不同，分为初稳性和大倾角稳性。初稳性是指船舶从正浮状态向左或向右倾斜的角度不大于10°～15°时的稳性。大倾角稳性是指船舶从正浮状态向左或向右倾斜的角度大于10°～15°时的稳性。

2）按倾斜时有无角加速度和惯性量或按外力矩的性质不同，分为静稳性和动稳性。静稳性是指船舶在静态的外力矩作用下，倾斜过程中无角加速度和惯性量。动稳性是指船舶在动态的外力矩作用下，倾斜过程中带有角加速度和惯性量。

3）按船舶破损与否，分为完整稳性和破舱稳性。完整稳性是指船舱完整无破损进水时的船舶稳性；破舱稳性是指船舱破损浸水后的船舶稳性。

1.2 船舶稳性的影响因素

船舶稳性的大小直接影响船舶在海上能够承受多大的风浪而不至于倾覆，增大船舶的稳性可延长船舶受撞后的倾覆时间，从而保证船员有足够的逃生时间和提高救援效果。根据船舶稳性的基本概念，影响船舶稳性大小的因素主要有以下4个方面：

1）船宽B。船舶排水体积V、吃水d、干舷高度F、重心距基线高度Zg相同，而船宽B不同。由于稳心半径r与船宽的平方成正比，所以船宽 B大，稳心距基线高度Zm大，初稳性高度就越大，但大倾角稳性不一定好。

2）干舷高度F。船舶排水体积、吃水d、船宽B、重心距基线高度Zg相同，而干舷高度F不同。当横倾角θ较小时，干舷高度F对船舶稳性没有影响，大倾角时，干舷高度F大的船稳性好。

3）船舶装载状态。船体几何形状一定，船舶静稳性是由船舶吃水d和重心距基线高度Zg决定。当装载质量相同时，吃水相同，即稳心距基线高度Zm相同时，船舶重心距基线高度Zg越大，初稳性高度GM越小，船舶稳性就越小。所以船舶装载状态的重心距基线的高度 Zg对船舶的稳性影响很大。

4）船内重物移动。船内重物垂直移动时可以调整船舶初稳性高度GM，当重物下移时，重心G下移，初稳性高度GM增加， 稳性提高；当重物向下垂移时，稳性降低。重物水平横移产生的横倾角可影响稳性。当船内的重物水平横移时，船舶重心 G也横移，因此船舶受到横倾力矩的作用，从而导致船舶的稳性力矩Ms减小，所以稳性下降。

5）船舱自由液面。自由液面对稳性的影响，相当于使得船舶的重心升高，导致船舶稳定变差。

6）悬挂重物。悬挂重物相当于使得船舶初稳性高度降低，船舶稳性下降。

2 小型船舶碰撞即时倾覆的影响因素分析

船舶碰撞是船体结构在很短时间（大概零点几秒到一点几秒）内在巨大冲击载荷作用下的一种复杂的非线性动态响应过程，它具有非常明显的动力特性，而且碰撞区构件一般都要迅速超越弹性阶段而进入塑形流动状态，并可能出现撕裂、屈曲等各种形式的破坏或失效[7-8]。

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大型船舶与小型船舶之间的碰撞，造成的后果更严重，经常会引起小型船舶即时倾覆，瞬间沉船。具体过程是：在风、浪、流耦合作用下，碰撞后的小型船舶产生剧烈的横倾、纵倾的摇摆运动或两者运动的叠加情况，船舶碰撞产生的动态倾覆力矩大于该船稳性力矩，该船将发生即时倾覆，瞬间沉船。

小型船舶受撞即时倾覆的影响因素主要分为 3个方面，分别是：碰撞船的各种因素，如质量、速度、水动力系数等；两船所处的外部环境因素，如风、浪、流等；受撞船（小型船舶）自身的因素，如速度、排水量和水动力系数等。

2.1 质量比的影响

如图 1所示，假设被撞击小船静止正浮于水面上(V2=0)，撞击船的质量为 m1，被撞击船的质量为 m2，撞击船的航速为V1，碰撞后两船的共同速度为V，则由动量守恒定理：

图1 相撞船舶示意图

从而求出V，进而由能量守恒定理求得碰撞过程中的动能损失：

动能损失ΔEk转化为结构的变形能，由结构的损伤来承担。通过分析两船的质量关系，就能初步的判断动能损失的大小，从而判断结构损伤的程度。由式(2)可得：

另外，附连水质量是由于流体的粘性作用而参与船舶碰撞与触底过程的周围液体质量，一般横荡运动附连水质量可取船体质量的0.4～1.3，即dm2=km2，同时令C=m2/m1，得：

由式(4)知：k取0.4～1.3，在撞击船航速V1和相撞夹角a不变的情况下，C值越小，动能损失ΔEk值越大。即大船撞击小船时，大船的质量越大或小船的质量越小，动能损失ΔEk将增大，转化为结构的变形能也增大，若增大到一定临界值时必会导致被撞击船的结构严重损伤，最终造成被撞击船即时倾覆的危险。

2.2 速度比的影响

图2所示，假设撞击船的航速和质量分别为V1和m1，被撞击小船航速和质量分别为V2和m2，碰撞后两船的共同速度为V，则由动量守恒定理：

图2 相撞船舶示意图

从而求出V，进而由能量守恒定理求得碰撞过程中的动能损失：

假设a=90°，即两船垂直相撞，则动能损失ΔEk为：

由此知，随被撞击船的航速越大，动能损失也就越大。另外，航速比V2/V1的值必然存在一个临界值，当超过这个临界值时，被撞击船就存在即时倾覆的危险。

2.3 稳性变化的影响

当小型船舶受撞后，其稳性将受到很大的影响，这主要是因为小型船舶在受撞后颠簸摇摆剧烈，货物绑扎易松动移位，船内重物横移，船舶重心发生改变，如图3所示。

图3 受撞小型船舶的稳性变化示意图

当船内重物水平横移时，船舶重心G横移至G1，若船舶在此位置上再受横倾力矩作用，船舶横倾至 β1角，此时船舶的稳性力矩为Ms1=D · G1Z1。而船内重物未横移时受一横倾力矩作用使船舶横倾至 β1角时，船舶的稳性力矩为 Ms=D · GZ。

显然，Ms＞Ms1，所以船内重物横移会使船舶的稳性力矩减小。因此，当船舶稳性被严重破坏时，稍有外力，船舶便有倾覆危险。

3 结论

1）运用船舶稳性的基本概念，分析了船宽、干舷高度、船舶装载状态、船舶内重物移动、船舱自由液面及悬挂重物对船舶稳性的影响。

2）针对船舶碰撞中的小型船舶，运用船舶碰撞的能量守恒、动量守恒等基本理论，分析了船舶的质量比、速度比及船舶稳性变化等对小型船舶受撞即时倾覆的影响。

[1]杨神化, 李丽娜, 索永峰, 等. 船舶碰撞过程动态仿真系统的研究与应用[J]. 集美大学学报: 自然科学版,2008, 13(3):228-231.

[2]王自力. 船舶碰撞损伤机理与结构耐撞性研究[D].上海: 上海交通大学, 2002.

[3]王自力, 顾永宁. 船舶碰撞动力学过程的数值仿真研究[J]. 爆炸与冲击, 2001, 21(1): 29-34.

[4]谭振东, 王振涛, 何超, 等. 基于碰撞机理的船舶碰撞分析方法研究[J]. 海洋技术, 2009, 28(2): 92-95.

[5]王自力, 顾永宁. 船舶碰撞研究的现状和趋势[J].造船技术, 2000, 236(4):7-12

[6]李品芳, 黄加亮. 船舶管理（轮机）[M]. 大连: 大连海事大学出版社, 2009.

[7]王自力, 顾永宁. 船舶碰撞数值仿真的一种组合模型[J]. 华东船舶工业学院学报: 自然科学版, 2001, (6):3-8.

[8]冯玮. 桥梁-船舶碰撞力计算方法研究[J]. 中国水运,2010, 10(4): 159-160.

西门子为法国柴油混合动力客车提供驱动系统

西门子目前正在为法国东部城市梅茨市公交公司Mettis交通创新项目提供混合动力推进系统，帮助该市缓解中心城区的交通拥堵问题。Van Hool是一家生产大型客车、旅游车和工业车辆的独立制造商，该公司为梅茨市公交公司提供客车。其 27 辆大型客车配备了由西门子公司提供的驱动电机、发电机、动力电子设备以及控制软件。该款低排放、高燃油效率的柴油混合动力汽车用柴油发电机为电机供电，多余的电能则由电池系统储存起来，其所采用的驱动电机也保证了车辆运行的可靠性和免维护性能。西门子提供的这套驱动系统采用了无齿轮电机，不仅可以降低噪声和振动水平，还全面提高了乘客的乘坐舒适度。

该系列大型客车为双层铰接式客车，长24米，高3.3米，在城市专用车道上行驶，与其它交通车辆分开。其耗油量与传统12米柴油客车相近，但载客量几乎增加一倍。同时，混合动力驱动的客车还能降低油耗，并达到同类车型尾气排放的最低水平，从而大大降低二氧化碳排放量。

西门子提供的驱动电机可以将刹车时所储蓄的能量回收至电池系统。这套电池系统专为该项应用开发，非常适用于公共运输车辆的频繁起动、制动工况，可以做到快速、大容量的充、放能量。

西门子目前可为车辆提供可靠的、免维护驱动电机。驱动电机可直接安装在车轴上，无需通过中间传动装置。客车采用这种方式驱动可以来减少噪音，降低振动，从而整体改善乘客的乘坐舒适度。

Mettis 项目建设工程始于2010年。按计划，这一新型交通工具将于2013年年底在两条总长23公里的线路上投入运行。梅茨市政府期望该款车型在初期每天可搭载25000名乘客，未来预计将有多达36000人选择使用这种更具吸引力的新型运输系统，取代传统的市区公共汽车、有轨电车和私家车。

Study on Ship Stability and Influencing Factors of Instant Capsizing of Ship Collision

LIU Wei, ZHU Fa-xin, WEN Xiao-fei, WU Yang, TANG Zhen-hua, HU Hai
(Maritime College of ZheJiang Ocean University, Zhoushan 316000, China)

In maritime accidents, ship collisions are given close attention by various of maritime departments because of its high proportion and big loss. The consequence of collision between small ship and big one is more severe. It often causes capsizing and sinking of small ship instantly. The influence of ship stability is discussed with the breadth of ship, the height of freeboard, the state of loading, the position change of heavy object, the free surface of the cabine, the hanged heavy object in according to basic principles. The influence of instant capsizing of smaller ship in collision is also studied by mass ratio, velocity ratio and change of stability of ship.

ship collision; ship stability; instant capsize; influence factor

U661.2+2

A

0 引言

船舶碰撞的类型有很多，如船与船的碰撞、船舶与离岸工程结构的碰撞、船舶与桥墩的碰撞、船舶靠泊码头时的靠泊碰撞、船舶的搁浅与触礁等。在众多船舶事故中，船舶碰撞以其比例高、损失大、调查处理难等为各部门所关注。据海事部门统计资料分析，我国因船舶碰撞造成的船舶吨位损失占各种事故总损失的35%，其中在内河事故中，船舶碰撞事故约占事故总数的60%以上，其损失约占事故总损失的70%以上，船舶碰撞已成为船舶与海洋工程领域的重大风险源[1-5]。

2012年浙江省自然科学基金项目（Y12E090007）

刘威（1985-），男，轮机工程专业。从事船舶安全与污染控制研究。

朱发新（1982-），通讯作者，男，讲师，硕士研究生。从事船舶安全与污染控制研究。