舰船进水过程中沉没判据研究

孙昌将， 鄢 凯，安江波

(海军蚌埠士官学校，安徽 蚌埠 233012)

舰船进水过程中沉没判据研究

孙昌将， 鄢 凯，安江波

(海军蚌埠士官学校，安徽 蚌埠 233012)

目前，国内外对于破损舰船沉没判据的研究，主要以舰船破损进水后的最终状态为判断依据，没有考虑进水过程中可能出现的危险状态，有一定的局限性。本文在分析美海军沉没判据不足的基础上，给出新的沉没判据表达式，用以判断舰船在进水过程中是否发生沉没，并通过某船计算验证该沉没判据的准确性。

舰船；破损；进水过程；沉没；判据

0 引 言

目前，国内外对破损舰船沉没判据的研究，主要以舰船破损进水后的最终状态为判断依据，没有考虑进水过程中可能出现的危险状态。根据文献[1]对舰船进水过程的研究，存在着舰船进水过程中的稳性比进水最终状态更为危险的情况。为此，需要对舰船进水过程中的沉没判据进行研究。本文首先介绍美海军沉没判据，在分析美海军进水最终状态沉没判据实质的基础上，给出舰船进水过程中的沉没判据，并通过某船计算验证该判据的准确性。

1 国外舰船沉没判据分析

美海军在国外舰船沉没研究方面处于领先地位。本文将以美国海军为例，对舰船沉没判据进行分析。舰船破损后的抗风浪性指标是沉没判据设定的重要构成部分，美海军对于抵抗静风的静倾力矩能力是使用静风横倾角衡量的，抵抗突风的动倾力矩能力是使用稳性储备系数dyw>1.4来衡量的[2-4]。大角稳性储备系数dyw，是A2面积和A1面积的比值，它反映了动倾力矩作用下的静稳度曲线储备扶正能力，如图1所示。

(1)

图1 静稳度曲线 1Fig.1 Static stability curve 1

图1中的θC表示甲板浸水角和45°角中的较小者；D点和E点之间的角度范围，即θD～θE取波浪共振角θr和12°之间的较大者。

θB不得超过20°是基于以下原因考虑的：当横倾角超过20°时，舰船上的动力和武器装备很难正常工作，不利于损管和救援工作的开展。

美海军利用大角稳性储备系数大于1.4来限制破损舰船的横摇角，如图2所示，即在图中S2(曲线deg的面积)与S1(曲线ond的面积)相比大于1.4，且该判定标准以破损进水的最终状态为判断依据，即默认进水最终状态最为危险。根据文献[1]可知，舰船在进水过程中确实会出现比破损进水的最终状态还危险的情况，即进水过程中的静稳度曲线ohij在最终状态odef曲线的下方；并且在整个进水过程中，根据舱室进水状态的不同，曲线ohij是实时变化的。为此，利用美海军舰船破损后最终状态下的大角稳性储备系数判断舰船是否沉没，会出现最终状态不沉没，但在进水过程中已经沉没的现象。因此，该美军沉没判据已不能对进水过程中舰船是否倾覆进行判断，需要对进水过程中的沉没判据进行研究。舰船进水过程的横摇运动模型是判断舰船进水过程中是否发生倾覆的基础，为此，下面介绍舰船进水过程的横摇运动模型。

图2 静稳度曲线 2Fig.2 Static stability curve 2

2 舰船进水过程的横摇运动计算模型

设舰船共有n个舱室可能会进水，与舱室i(i=1,2…n)相连的破口编号集合记为Ω(i)， 舱室之间只有一个破口；破口Cij(j∈Ω(i))的面积为ACij，流量系数为μCij，破口Cij距离水线的距离为HCij；舱室i内水线面的面积为Si，舱室i内水线面距水线的垂直距离为Hi。

舰船进水过程的横摇运动计算模型应满足如下方程：1)横摇运动方程；2)垂向受力平衡方程；3)纵向平衡方程；4)所有进水舱室应满足进水量平衡方程，即任意时刻通过破口流入舱室的总流量等于舱室内进水的增加量；5)各个破口的进水量伯努利方程；则计算模型满足如下方程组[5-8]：

(2)

3 进水过程中沉没判据的设定

上述判据的推导理由可由图2中静稳性平衡曲线的能量平衡导出：先以静稳度曲线odef为例说明舰船在风倾力矩作用下的横摇运动过程。从0°～θ(d)阶段，曲线ond所围成的面积S1表示风倾力矩比扶正力矩对舰船横摇多做的功。从θ(d)向右阶段，曲线deg围成的面积S2表示风倾力矩比扶正力矩对舰船横摇少做的功。

当S2与S1的面积相比等于1.4时，此时e点(θ(e)=45°)是舰船的一个临界点，风倾力矩对舰船所做的功小于舰船自身扶正力矩所做的功，二者相差部分为阻尼力矩所做的耗散功对横摇运动的贡献。

当该临界点e在原来位置的基础上再向右移动，才能至少满足S2与S1的面积比值为1.4，即横摇角大于θ(e)才能满足面积比值为1.4时，则舰船将会倾覆；反之，当e点在原来位置的基础上向左移动时，就已经可以满足S2与S1的面积比值为1.4，即横摇角小于θ(e)就能满足面积比值为1.4时，则舰船将不会发生倾覆，而会在横摇角为θ(e)之前便向相反方向横摇了。

在破损进水过程中，由于进水舱位置、破口的不同以及进水量随时间不断变化，进水过程中的静稳度曲线是不确定的，所以无法计算出进水过程中S2′(曲线hig的面积)与S1′(曲线onh的面积)的具体数值。但通过上述分析知，美海军利用面积比值判断是否倾覆的临界条件，其关键在于：计算点i处，舰船横摇运动的角速度和角加速度以确保横摇角不超过θ(i)。

4 案例计算

使用第2节的计算模型和第3节建立的舰船进水过程中的沉没判据，对某船进水过程的横摇姿态进行计算，以验证本文建立的沉没判据的准确性。

某鱼雷在某船近距离非接触爆炸，破损的舱室为m1，m2和m3。共形成3个破口，其中破口1在m1的舷侧，破口2在m1和m3舱壁之间，破口3在m2和m3舱壁之间，如图3所示。

图3 破口位置及舱室剖面图Fig.3 Crevasse position and cabin section

该船横向受到的静分风速为25 m/s，突发风速为46 m/s。图4为整个进水过程都受到横向突风作用，图5则为整个进水过程完成之后才受到突风作用。

图4 突风从进水开始便作用于舰船时的横揺曲线Fig.4 Roll angle when the gust and water inlet happen the same time

图5 突风于整个进水完成后才开始作用条件下的横揺曲线Fig.5 Roll angle when the gust happens after the whole water inlet progress

上述2个仿真条件下的沉没判断如表1所示。

表1 沉没判断Tab.1 Sink judgement

分析表1可知，根据沉没判据知，对于突风从进水开始便作用于舰船，根据第3节所建立的沉没判据，当横揺角为45°时，横揺角速度与角加速度的方向相反，则沉没判据成立，该船将发生倾覆而沉没。图4为所对应的整个仿真横揺曲线，该船于仿真第23.2 s步横揺角超过90°而发生倾覆，从而证明该沉没判据的准确性。

同样，对应突风于整个进水过程结束之后才作用于舰船，由表1可知，在横揺角小于45°的31.63°时，其横揺角速度与角加速度方向相同，且与横揺角方向相反，则沉没判据不成立，该船不会发生倾覆；图5所示的横揺曲线也验证了该船不会发生倾覆。

5 结 语

对于破损舰船是否沉没，国内外主要以舰船破损进水后的最终状态为判断依据。然而，由于进水过程中会出现比进水最终状态更为危险的情况，以进水最终状态为依据的沉没判据已经无法满足对整个进水过程的沉没危险性的判断，为此，需要对舰船进水过程中的沉没判据进行研究。

本文介绍了美国海军对破损舰船沉没判据的设定方法的实质，并分析其沉没判据的不足，在此基础上，给出了本文所采用的舰船进水过程中的沉没判据表达式。为验证该进水过程中沉没判据的准确性，本文以某船进水过程为例，对沉没判据参数以及破损进水过程的横揺角进行了仿真计算，计算结果表明该沉没判据是准确的。

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PU Jin-yun,JIN Tao,QIU Jin-shui.Ship survivability[M].Beijing:Defence industrial Press,2008.

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[5] 鄢凯，浦金云，侯岳.舰船破损进水过程的非线性横摇运动仿真[J].舰船科学技术，2011，33(7)：14-17.

YAN Kai,PU Jin-yun,HOU Yue.Num ericalsimulation research fornon-linearity rolling motion of wateringres-sprocesson a big ship[J].Ship Science and Technology,2011，33(7)：14-17.

[6] RUPONEN P.Pressure correction method for simulation progressive flooding and internal air flows[J].Helsinki University of Technology，2006，1(1)：1-75.

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[8] KULOW K S.Modeling the progressive flooding charact-erictics of the arleigh burk class destroyer using simsmart and excel[D].California：Naval Postgraduate School，2000.

Research on ship sink judgement in flooding process

SUN Chang-jiang,YAN Kai,AN Jiang-bo

(The Electromechanical Department of BengBu Naval Petty Officer Academy,Bengbu 233012,China)

Nowadays, for the sink judgement of the damaged ship, the end state of the flooding is used as the judegement in the predecessor studies. However, it indeed exists that the intersection state is more dangerous than the state of the end of flooding. So, it is necessary to set up a sink judgement to analyze the intersection state stability. In the paper, the US Navy sink judgements are analyzed, and the essence of US Navy sink judgement setting up is also analyzed. On the basis of the mentioned analysis, the sink judgement of the flooding process is set up in the paper, which is verified to be accurate by an actural ship simulation calculation.

ship;damage;flooding process;sink;judgement

2014-06-17;

2014-08-29

孙昌将(1966-)，男，副教授，研究方向为舰船生命力及损管技术。

U661.23

A

1672-7649(2014)11-0042-04

10.3404/j.issn.1672-7649.2014.11.009