工程船耐波性设计综合分析评估法

盛 庆 武

（上海佳豪船舶工程设计股份有限公司，上海 201612）

0 引 言

在工程船舶设计的各个阶段，特别是方案设计阶段，应能充分将相应的耐波性能各项技术指标作为考核船舶设计优劣的重要技术指标之一，使该船设计完成后具有较高的作业率。改善耐波性能作为重要技术指标并非会牺牲其他性能指标，反之可以辅助优化其他性能指标。例如在船舶总纵强度的计算中，鉴于工程船很多具有超规范要求的主尺度，所以波浪弯矩和剪力往往需要通过耐波性理论直接计算，其计算结果用以指导船舶装载手册的计算和编制。基于此，提出了工程船耐波性设计综合分析评估法。

1 工程船耐波性设计综合分析评估法

1.1 定义

依据工程船设计任务书和调查分析研究，通过传统方法（母型船/统计方法/经验方法）初步确定工程船主尺度的范围。在此范围内选择N个主尺度设计方案，对每个方案开展线型设计、舱室布置、特殊甲板机械布置、估算重量重心等工作，并按照相应生活驳每个方案各装载工况的稳性和强度等基本性能指标，通过对比分析确定M个可行的主尺度设计方案（M≤N），确定主要耐波性能影响因素和性能指标，并通过对M个主尺度设计方案的耐波性能指标计算和对比分析，优选工程船最佳的主尺度方案，重新按照相应航海公约和规范计算各典型装载工况，并根据影响工程船主要耐波性能的因素和性能指标选择若干典型装载工况计算和分析该船的耐波性能指标，综合评估该船的耐波性能，这种评估过程称为工程船耐波性设计综合分析评估法。

1.2 工程船耐波性设计综合分析评估法框图

图1为工程船耐波性设计综合分析评估法的框图。

图1 工程船耐波性设计综合分析评估法的框图

2 工程船耐波性设计综合分析评估法应用算例

通过2400t起重船耐波性设计算例说明如何应用工程船耐波性设计综合分析评估法。本算例包括两方面的内容：

1) 起重船方案设计主尺度优选；

2) 评估该船的耐波性能。

2.1 2400t起重船方案设计主尺度优选

2.1.1 简介

2400t起重船的用途是使用非旋转吊臂起重机作业时起吊重物，该船的调倾能力、稳性、结构强度是船舶的重要性能指标，同时为了保证该船的作业率和作业能力，该船在风浪中的运动能力也是重要指标之一。该起重船无推进动力装置，其阻力性能的好坏也直接影响到其调遣的能力。因此为了优选出适合的起重船主尺度，需要从稳性、结构强度、阻力和耐波性能综合考虑。首先需要确定优化性能指标：稳性指标、结构强度指标、阻力性能指标和耐波性能运动指标。

为确定本船方案设计的主要尺度，针对几种不同的船长和船宽的船舶稳性指标、强度指标、耐波性运动性能指标和阻力性能指标做了计算和分析，优选适合的起重船主尺度，作为最终确定的依据。

2.1.2 2400t起重船主尺度设计方案

针对 2400t起重船的特点，参照母型船，并根据起重船作业任务及作业海域的特点，确定了船长95～97m，船宽39～42m。为了对比船长及船宽变化对起重船稳性、结构强度、阻力和耐波性的影响，制定了9套起重船主尺度设计方案：船长分别选95m、96m和97m 3种，船宽分别选39m、40.5m和42m。并根据母型船和该船的船舶任务确定了船体的总布置、舱室划分和起重机等特种机械的布置，初步确定9种设计方案的船体空船重量。然后建立了9种设计方案的船体模型，并对这9个方案进行装载工况计算。表1为主尺度设计方案和对应典型装载工况计算表。

表1 2400t起重船主尺度设计方案表

为了便于分析和对比计算结果，这里对所选取的9个方案计算模型中的各计算参数做了统一规定：装载工况相似，吃水均为4.3m；船舶的横摇惯性半径和纵摇惯性半径按此装载工况中沿船长方向的质量分布计算获得；船舶的横摇阻尼系数统一取为船体临界阻尼系数的7%；重心的位置按照NAPA模型中计算的实际装载工况中获得。每种方案的艏部及艉部线型相似：即当船宽不变、船长变化时其艏部和艉部线型完全一致，船宽不同时，其横剖面线型按比例放大或缩小。这样处理的原因是可以排除艏、艉形状对主尺度变化的影响。海浪谱采用规范规定的P-M谱。

根据船舶设计任务书的要求，起重船作业及就地抗风海况分别是H1/3=2.50m、波浪跨零周期T=7.5s和H1/3=1.50m，波浪跨零周期T=5.5s，这样的海况条件作为耐波性能指标对比的波浪环境条件。

2.1.3 计算结果

表2为9种船舶主尺度方案的稳性指标，自由液面修正后的横向初稳性高及稳性衡准数。结构强度指标中，总弯矩（总弯矩取静水弯矩和波浪弯矩叠加后的极值）和总剪力（总剪力取静水剪力和波浪剪力叠加后的极值）。耐波性能运动指标中垂荡、横摇及纵摇在两种不同海况下（H1/3=1.5m、T=5.5s和H1/3=2.5m、T=7.5s）的有义值和阻力性能指标（八级风和8kn航速）的对照表。

从表2中的9个方案可以看出：所有方案中初稳性高均满足规范要求；对于气象稳性衡准指标，方案一、方案二、方案四和方案七的气象稳性衡准不满足>1的要求，将这4个方案需要去除。方案九和方案六的结构强度指标和阻力指标是9个方案中最大的两个方案，将这两个方案需要去除。方案八和方案五相比，方案八的稳性指标、结构强度指标和阻力指标比方案五略大些，耐波性运动指标比较接近，但是方案八比方案五的船长长了1m，空船质量重了58t（粗估），从经济性角度来看，船长增加对造价的影响较多，将方案八应该去除。方案五和方案三的稳性指标气象稳性衡准、结构强度指标、阻力指标比较接近；从耐波性运动指标来看，方案五和方案三的垂荡运动有义值比较接近，但方案五的纵摇运动有义值比方案三在H1/3=1.5m、T=5.5s时小14.1%，在H1/3=2.5m、T=7.5s时小2.2%；方案五的横摇运动有义值比方案三在H1/3=1.5m、T=5.5s时大0.44%，在H1/3=2.5m、T=7.5s时小 2.2%。经过综合比较后，认为方案五比方案三是更好的选择。

表2 9种船舶主尺度方案的稳性指标、结构强度指标、耐波性能运动指标和阻力性能指标对照表

综上所述，在9个主尺度设计方案中，方案五（船长96m，船宽40.5m）是最好主尺度设计方案，最终选择方案五（船长96m，船宽40.5m）作为2400t起重船的最优主尺度设计。

3 结 语

建立了工程船耐波性设计综合分析评估法：阐述了该方法建立的目的和依据，并通过2400t起重船方案设计主尺度优选过程，分别从稳性指标、结构强度指标、阻力性能指标和耐波性能运动指标等优选船舶主尺度设计方案。从中可知，工程船可以在常规设计方法的基础上，通过耐波性能指标的综合分析评估更有效、更合理和更实用地设计工程船舶。

[1] 顾敏童. 船舶设计原理[M]. 上海：上海交通大学出版社，2001.

[2] 中国船舶工业总公司. 船舶设计实用手册（总体分册）[M]. 北京：国防工业出版社，1997.

[3] BUREAU VERITAS. HYDROSTAR FOR EXPERTS USER MANUAL[R]. March 2009.