骑浪横甩薄弱性衡准技术的发展

唐 哲

（中国船级社 青岛分社，山东青岛 266071）

骑浪横甩薄弱性衡准技术的发展

唐 哲

（中国船级社 青岛分社，山东青岛 266071）

介绍了骑浪/横甩的物理背景，以及骑浪/横甩第一层和第二层薄弱性衡准发展过程，并分析了骑浪横甩薄弱性衡准计算方法及初步衡准，掌握骑浪横甩薄弱性衡准技术的发展现状，有助于骑浪/横甩相关技术领域的研究，为船舶第二代完整稳性的技术发展奠定基础。

骑浪；横甩；衡准；薄弱性；技术；船舶

0 引言

船舶在随浪或斜浪中航行时，波浪从船尾方向接近船舶，追上船舶后，加速船舶，使船舶的航行速度与波浪的传播速度相同，这样波形相对于船舶保持不变，称之为骑浪现象。对于航向不稳定的船舶，有可能突然偏转，船舶将失去控制发生大幅度转艏运动，同时伴随大角度的横摇运动，剧烈情况下将导致船舶倾覆，这就是船舶在波浪中运动发生横甩现象。因此，研究横甩的运动机理，指导船舶设计，对于船舶的安全航行具有重要意义。

1 骑浪/横甩的物理背景

通常情况下，船舶在波浪中航行，发生横甩现象主要有两种可能：一种是由骑浪产生的横甩，一般发生在高速情况下；另一种是航向稳定性较差的船舶在尾浪或尾斜浪中遭受连续抨击造成横甩，这时可以通过合理操纵避免，这种情况下发生的横甩现象在低速和高速下都有可能发生。第52届SLF（渔船稳性与装载线）会议明确了由骑浪产生横甩这种模式作为IMO第二代完整稳性横甩失效模式的研究目标。所以，骑浪作为发生横甩的先兆，可以将其发生的可能性作为发生横甩现象的薄弱性衡准的判定依据。

Vadim Belenky[1]给出了发生骑浪需要满足的三个条件：1）波长约为船长的0.75~2.0；2）船舶的航行速度约为波浪传播速度的75%（与波陡有关）；3）船舶不能太大（因为符合波长条件的波浪，其速度远大于船速，而且符合波长和波陡条件的波浪比较罕见）。

2 “骑浪/横甩”薄弱性衡准发展过程

2.1 第二代完整稳性薄弱性横准基本框架

第51届SLF会议（渔船稳性与装载线）上，启动了“新一代完整稳性衡准”的制定工作，提出了新一代完整稳性衡准的发展框架和目的，定义了新一代完整稳性衡准中所用的术语，并成立了工作组和通讯组，分别负责会议期间和闭会期间新一代完整稳性衡准的提案收集、讨论、样船验证和制定。

在会议上提出制定新一代完整稳性衡准的目的是建立船舶设计的最低标准，适用于非常规类型船舶主要的动稳性失效模式，新一代完整稳性衡准将作为2008 IS Code的补充和替代方法。会议上对两种稳性失效模式给出了定义：船舶倾覆导致的完全稳性失效和过度横摇角度或加速度导致的部分稳性失效。同时给出了新一代完整稳性衡准涉及的三种主要稳性失效模式：1）复原力臂变化导致的稳性失效模式，如参数横摇和纯稳性丧失；2）SOLAS公约定义下的瘫船稳性；3）波浪中与操纵有关的稳性失效，如横甩。

第52届SLF会议上，日本、意大利、美国和德国等国家对纯稳性丧失、参数横摇、瘫船稳性和骑浪/横甩 4种稳性失效模式提出相应的计算方法和衡准，并给出算例和对比分析，其中部分计算结果与模型试验进行比较和验证。在本次会议上，明确了采用三层结构作为新一代完整稳性的衡准技术框架，即采用第一层薄弱性衡准、第二层薄弱性衡准和稳性直接评估。三层评估方法的计算复杂性依次递增，评估的准确性也依次提高。只有第一层薄弱性衡准没有通过的情况下，才要进行第二层薄弱性衡准的评估；在无法通过第二层薄弱性衡准时，进行第三层评估--稳性直接评估。在三层衡准评估都无法通过时，必须对船型进行重新设计或制定航行操作指南，以避免稳性失效的发生。

2.2 骑浪/横甩薄弱性横准技术发展

第53届SLF会议上，日本和美国共同提出了发生骑浪的第一层和第二层薄弱性衡准[2]。

1）骑浪/横甩第一层薄弱性衡准

如果船舶满足以下条件，则认为船舶不易发生骑浪/横甩：

Fn<0.3或者LBP>200m

2）骑浪/横甩第二层薄弱性衡准

日本和美国针对于不规则波中的船舶运动，提出了骑浪/横甩第二层薄弱性衡准，如下式所示。

其中：W2(HS, TZ)为短期海况的权重因子，是有义波高HS和平均跨零周期TZ的函数；Wij为波浪统计权重，与波陡(H/λ)i和波长与船长比(λ/LBP)i相关，通过计算局部波陡和波长的节点概率分布获得。

第55届SLF会议上，日本和美国分别提出了骑浪/横甩第二层薄弱性衡准计算方法和衡准值。日本首先给出了骑浪/横甩第二层薄弱性衡准计算方法，然后针对6艘不同类型的船舶开展了骑浪横甩第二层薄弱衡准样本计算[3]。

1）开展骑浪/横甩第二层薄弱性衡准计算需要具备以下资料：（1）最大设计航速；（2）船舶的垂线间长；（3）船舶重量；（4）方形系数；（5）螺旋桨直径；（6）浮心纵向位置；（7）纵荡运动附加质量；（8）不同航速下的静水阻力；（9）螺旋桨推力减额，进速系数和推力系数。

2）波浪诱导的纵向力计算方法如下：

其中：ρ为海水密度；g为重力加速度，g=9.8m/s；ζa为波幅；λ为波长；k为波数，k=2π/λ；AE为船尾；FE为船首；经验系数μx用来考虑绕射影响，计算公式为：Cm≥0.9时，μx=1.46Cb-0.05；Cm<0.9时，μx=1.06Cb-0.05。

3）阻力系数ri和推力系数Ki采用最小二乘法求解：

4）发生骑浪所要求的临界螺旋桨转数，n采用以下计算方法：

5）静水中船舶航速，通过静水阻力与推力相等进行求解：

6）发生骑浪的短期概率计算方法如下：

其中：

S(H,T)表示平面(H,T)中u>u0的区域。这里，积分范围：

7）发生骑浪的长期概率计算方法如下：

其中， f( H1/3,T01)是北大西洋有义波高和平均波浪周期的联合概率密度函数。

8）骑浪/横甩第二层薄弱性衡准值：

日本提出的第二层薄弱性衡准值为 10-4，如果Pan>10-4，表明发生骑浪/横甩的概率较大，不满足第二层薄弱性衡准。

第55届SLF会议上，美国也提出了骑浪/横甩第二层薄弱性衡准计算方法和衡准值。美国以第53届 SLF会议上美国和日本共同提出的骑浪/横甩第二层薄弱性衡准计算方法为基础，提出第二层薄弱性衡准值，并进行样船验算[4]。

如果计算值CR>r，则认为船舶易发生骑浪/横甩：

其中：W2为长期统计权重，由波浪分布表获得；Wij为短期统计权重，与波高和波长有关；Crij为短期衡准。

1）短期统计权重因子Wij

Wij是波长为λi和波幅为aj的短期海况下的统计权重因子，通过计算短期海况下的节点概率分布获得。换句话说，海况条件由不同波幅和周期/波长的波浪组成，并用给定的有义波高HS和平均跨零周期TZ描述，这些波幅和波长通过双参数波能谱控制。为了获得统计权重因子 Wij，按波长和波幅（Nλ和Na）划分波能谱，计算每组波长和波幅对应的波浪概率。

双参数波能谱：

其中：ω为波频；HS为有义波高；T1为平均频率相应的周期，T1=0.773Tm，Tm为波能谱的模态周期，。

波能谱可以确定波幅和波频的短期节点分布（Longuet-Higgins，1957）：

2）短期衡准Crij

短期衡准Crij的计算公式如下：

其中，FnTR是骑浪临界傅汝德数，使用Melnikov方法计算骑浪临界值。

3）标准值r

骑浪/横甩引起的稳性失效具有短期概率的特性。也就是说，如果船舶遭遇能够引起骑浪的波浪条件，稳性失效可能发生也可能不发生，是否发生取决于骑浪持续的时间、航向和航速等。短期衡准Crij中假定：如果船舶遭遇能够引起骑浪的波浪条件，稳性失效一定发生。既然实际的稳性失效具有概率特性，说明衡准Crij是保守的。

短期衡准Crij的保守性导致它是一个确定性函数，这个函数可以作为一个标准，用来筛选能够引起骑浪发生的波浪。因此，衡准值CR也是稳性失效的统计频率。将统计频率CR=0.05作为骑浪/横甩第二层薄弱性衡准的初始标准。在统计检验中，0.05通常作为确定小概率事件的标准。相应的，概率95%是大多数工程计算的实际标准置信概率。

由于日本和美国提出的骑浪/横甩第二层薄弱性衡准的横准值存在差异，美国和日本经过研究和讨论，于2013年10月又联合提出了骑浪/横甩第一层和第二层薄弱性衡准计算方法和衡准值[5]。在最新提交的联合提案中，骑浪/横甩第一层薄弱性衡准采用第53届提出的方法。骑浪/横甩第二层薄弱性衡准采用日本和美国联合提出的方法。即：如果C<10-4，则认为不会发生骑浪/横甩。

其中：W2(HS,TZ)短期海况的权重因子，是有义波高HS和平均跨零周期TZ的函数；Wij为波浪统计权重，与波陡(H/λ).i和波长与船长比(λ/LBP)i相关，通过计算局部波陡和波长的节点概率分布获得，且N=100，Na=80；

3 结束语

本文给出了骑浪/横甩的物理背景以及骑浪/横甩第一层和第二层薄弱性衡准发展过程。给出了骑浪横甩薄弱性衡准计算方法及初步衡准。由于IMO渔船稳性与装载线将继续讨论骑浪/横甩薄弱性衡准第一层和第二层薄弱性衡准，最终的薄弱性衡准尚未确立。掌握骑浪横甩薄弱性衡准技术的发展现状，有助于骑浪/横甩相关技术领域的研究，为船舶第二代完整稳性的技术发展奠定基础。

[1] Vadim Belenky, Christopher C, Bassler, et al. Development of Second Generation Intact Stability Criteria[R]. United States :Naval Surface Warfare Center Carderock Division, 2011.

[2] IMO. Levels 1 and 2 Vulnerability Criteria and Draft Specification for Direct Stability Assessment on the Matters Related to Manoeuvrability and Course Keeping Ability[C]// SLF 53/3/8. 2010.

[3] IMO.Sample Calculation Results of Draft Vulnerability Criteria for Broaching[C]// SLF 55/INF.15. 2012.

[4] IMO.Sample Calculations for Vulnerability Criteria on Surf-Riding, Level 2[C]// SLF 55/INF.15. 2012.

[5] Vulnerability Criteria for Broaching (US-JPN)[Z]. 2013.

Development of Surf-riding Broaching Vulnerability Criteria Technology

Tang Zhe
(Qingdao Branch, Chinese Classification Society, Shandong Qingdao 266071, China)

This article introduces the physical background and the vulnerability criterion development process for the first layer and the second layer of surf-riding/broaching. Also it analyzes the preliminary criteria and the vulnerability criteria method for calculating of surf-riding/broaching. Mastering the development state of this technology can be useful for the research of relative area, and would become the base for the second general criteria technology.

surf-riding; broaching; criteria; vulnerability; technology; ship

U661.2+2

A

1005-7560 (2014) 06-0009-04

唐哲（1980-），男，工程师，研究方向：船舶质量检验和船舶质量标准制定。