内河双尾船甲板上浪统计特性影响因素分析

陈钰　刘光明

摘 要：对内河典型双尾船进行线型变换得到一系列尺度比船型，通过进行耐波性能统计预报，得到甲板上浪概率和每小时上浪次数，进而分析了各个因素对甲板上浪统计特性的影响程度，结论为内河船舶制定合理的干舷标准提供了依据。

关键词：内河双尾船；干舷；相对运动；甲板上浪概率

中圖分类号：U661.32 文献标识码：A

1 引言

载重线是船舶营运的限界线和船舶安全的生命线，载重线根据船舶的干舷勘划，船舶干舷分为最小干舷（形状干舷）、强度干舷、稳性干舷三种，当三种干舷不一致时取三者之中的最大值勘划载重线。就最小干舷而言，主要从储备浮力、防止甲板上浪、对船员与乘客的保护等角度确定的基本要求，其计算值与船舶主尺度、船型特征、舷弧高度和甲板开口密性程度等因素有关。

我国现行《内河船舶法定检验技术规则》[1]对最小干舷的要求主要参考前苏联的相关规定，并结合我国内河水域和船舶特点以及实船航行经验确定的，其总体要求水平和量级与欧盟的现行规定相当。为了保障安全航行、充分发挥船舶装载能力、公平市场环境，开展内河船舶最小干舷的适用研究是十分必要的。本文对内河典型的双尾船用NAPA进行线型变换得到一系列尺度比船型，通过进行耐波性能统计预报，得到甲板上浪概率和次数，进而分析了各个因素对甲板上浪统计特性的影响程度，旨在为内河船舶制定合理的干舷标准提供依据。

2 计算方法和原理

甲板上浪问题是以船首和波面垂向相对运动为基础，所以研究工作的第一步是船舶在不规则波中航行时五个自由度运动预报，其中相对运动预报是重要内容之一[2]。如果把相对运动位移Zr（t）看成是一个随机过程， 那么甲板上浪问题就是一个随机过程过阈特性的统计问题，这个阈值就是干舷高[3]。本文基于三维线性势流理论得到船舶相对运动，进而预报与上浪有关的各种统计特性。

2.1 相对运动预报

基于三维线性势流理论，以船舶首垂线吃水为波高监测点，监测其相对波面的位移，计算其在规则波中时间历程，通过傅利叶变化，得到相对运动的位移幅频响应函数[4]：

2.2 甲板上浪统计特性预报

认为相对位移Zr（t）是零均值窄带高斯过程，其峰值Zra服从瑞丽分布：

3 计算方案

上浪严重程度取决于多项因素，这些因素包括水文条件、 浪向角、船型、干舷高等，本文的重点在于考察这些因素各自对甲板上浪的影响。

以一艘船长80 m的内河双尾球首散货船为母型船，通过NAPA软件的transformation功能进行系列船型线设计。所设计的系列船主尺度L/D和B/D如表1所列。为了考察方形系数Cb对甲板上浪特性的影响，设计Cb为0.6、0.7、0.8、0.9四种情况；水文情况按照规范的要求，取为A级航区有义波高Hs为2.0 m，平均跨零周期To为3、4、5 s；干舷F取为0.2 D、0.15 D、0.10 D；其他考虑的因素详见表1。

需要说明的是，由于船型较多，选定一个标准船型为L/D=20、B/D=4、Cb=0.8、干舷F=0.15D、重心垂向位置Zg为1.00 D、傅氏数Fn为0.15的情况，在考虑某项影响因素时，只变化该因素的值，其他的量参考标准船型。

基于三维线性势流理论计算船首和波面垂向相对运动，需要将船舶的型值数据编辑为标准格式，得到程序可识别的型线，然后给定船舶在特定装载状况下的重量分布、横摇惯性半径、阻尼等参数，在一定的航速和水深下，在规则波中对船舶的相对运动响应进行水动力分析。

4 甲板上浪的计算结果

按照上述方法和方案对系列船型进行相对运动预报和甲板上浪统计特性计算，分别得到各因素对于相对运动特性及上浪特性的影响程度。需要指出的是，以下的结果尚未考虑内河A级航区波高2.0 m为5%的保证率这一因素，因此所得的上浪概率数值都较大。另外，以下的结论除了第5点，均按照（Hs=2 m，To=5 s）的水文条件进行的预报。

4.1 主尺度影响

由于有义波高取值为2 m，而干舷值仅有0.6 m，在Hs=2 m、T=5 s的组合条件下，上浪概率比较高，均超过了80%，每小时的上浪次数也比较大，达到了几百次的量级。同时，超过干舷的概率随着L/D的增加而增加，对同一L/D的船型，B/D=4的结果小于B/D=3的结果。由表2可见，相对运动的幅频响应规律与同一L/D下的统计量相反，这说明L/D的影响大于B/D的影响，这与前期《钢质内河船舶建造规范波浪载荷及计算方法研究》项目所得结论也比较一致。

4.2 干舷影响

对L/D=20、B/D= 4船型在0.1D、0.15D、0.2D三种干舷情况下，傅氏数为0.15时的计算和统计分析结果如表5所示。由表5可知，随着干舷的增加，船舶的相对运动幅频响应减弱，这表明干舷越大；船舶的相对运动越平缓，反之越剧烈。此外，干舷增加对船舶甲板上浪的影响较大，当干舷达到0.2D即800 mm的时候，上浪概率减小较为显著。

4.3 方形系数影响

对L/D=20、B/D= 4船型在方形系数Cb为0.6、0.7、0.8、0.9四种情况下，傅氏数为0.15时的计算和统计分析结果如表6所示。随着方形系数的增加，运动响应幅频响应呈递减趋势，对应的上浪概率也呈递减趋势。这表明船越瘦削，耐波性运动越剧烈，这也与4.1节尺度比的计算结论在本质上是一致的。

4.4 重心垂向位置影响

对L/D=20、B/D= 4船型在重心垂向位置Zg为0.85D、1D、1.15D三个重心位置的比较分析表明，重心位置越低，船舶的相对运动幅频响应越小。但由于响应差异不是很大，故甲板上浪概率差别不大。

4.5 环境条件影响

对L/D=20、B/D= 4的船型在波浪周期为3、4、5s时的统计分析结果如表8所列，由表8可知，甲板上浪概率受周期的影响较为敏感，5 s的周期对应0.87的概率，而3 s的周期仅对应0.27的概率。

5 结论

以一艘80 m典型双尾船型为基础进行线型变换得到一系列船型，在分析影响甲板上浪各因素的前提下，得到一些有益的结论，为后期开展甲板上水量的研究奠定了基础，为内河船舶制定合理的干舷标准提供了一定的理论依据。

综上所述，当船首干舷一定时，可得到如下几点结论：

（1）甲板上浪的概率随方形系数Cb的增大而减少；

（2）L/D增大，甲板上浪概率增加；B/D增大，甲板上浪概率减小；L/D的影响大于B/D的影响；

（3）重心垂向位置对甲板上浪概率的影响较小。

另外，当干舷不同时，甲板上浪的概率随着干舷的增加而减小；由于内河波浪条件的特殊性，决定了内河船舶甲板上浪特性的不一般，在今后的研究中将重点开展内河水文条件对甲板上浪特性影响的研究。

参考文献

[1]中华人民共和国海事局.内河船舶法定检验技术规则[s].北京：人民交通出版社，2011

[2] 贺五洲、戴遗山.船舶上浪预报中甲板上浪的统计分析[J].中国造船1996（3）1-12

[3] 王仁康、吴静萍.淹湿性曲线和甲板上浪统计特性计算[J].武汉交通科技大学学报1998.22（1）8-12

[4]吴秀恒 ， 张乐文 ， 王仁康 .船舶操纵性与耐波性.北京：人民交通出版社，1988.303-307

[5]刘光明等.钢质内河船舶建造规范波浪载荷及计算方法研究[R].中国船级社武汉规范研究所2014.5

[6] 中国船级社.钢质内河船舶建造规范[S].北京：人民交通出版社，2009