基于船舶耐波性评价的型线优化

张耀，王凯，杨帅，陈晨，费宇庭，侯国祥

1华中科技大学船舶与海洋工程学院，湖北武汉430074 2中国舰船研究设计中心，湖北武汉430064

基于船舶耐波性评价的型线优化

张耀1，王凯1，杨帅2，陈晨1，费宇庭1，侯国祥1

1华中科技大学船舶与海洋工程学院，湖北武汉430074 2中国舰船研究设计中心，湖北武汉430064

船舶耐波性是评价船舶性能的一个重要指标。随着船上装备的精密仪器与武器系统越来越多，如何保证这些系统平稳正常地工作是每一个船舶设计者所关心的问题。然而船舶耐波性与快速性是一对矛盾的指标，为了解决这一问题，合理确定耐波性评价指标是关键因素之一。通过船模试验得到人们最关心的5个耐波性指标数据：纵摇幅值、升沉幅值、船艏加速度、船舯加速度和船艉加速度，并以此来评价船舶的耐波性能。在保证波浪增阻小于某一阈值的情况下进一步对船舶型线进行改进，以期提高船舶耐波性。同时，为了保证试验的准确性，将船模在不规则波试验中的运动响应结果与通过规则波试验的预报值进行对比，结果表明：改进后的5个船舶耐波性指标数据均有所减小，达到了设计目标。

球鼻艏；船模试验；不规则波；运动响应

0 引 言

在民用船舶设计中，出于经济利益的考虑，快速性往往是船舶设计者首要考虑的问题。近年来，随着人们对船员生活条件的重视以及对货物损毁问题的研究，耐波性问题逐渐受到人们的重视。有研究表明，集装箱船横摇幅值过大是导致货物损毁的重要原因之一。对于军船而言，为了保障各武器系统的正常运行，船舶六自由度的运动幅值与加速度必须限制在一定的范围内。考虑到军船的主机储备功率较大，快速性不难达到设计目标，船舶耐波性甚至超过快速性成为船舶设计时首要考虑的设计指标。船舶耐波性是船舶在波浪中运动特性的统称。对于商船而言，船舶耐波性［1］是指船舶在波浪扰动下，产生各种摇荡运动、砰击、甲板上浪、失速、螺旋桨出水以及波浪弯矩等情况下，仍能够维持一定航速，且在波浪中安全航行的性能。对于军船而言，我国海军明文规定“耐波性是指舰艇在一定海况下具有适当的舰体运动环境，以保证人员及各种武器、系统和其他装备能正常工作的能力”。总而言之，耐波性主要关注船舶在波浪中的运动响应参数：纵摇幅值、横摇幅值、升沉幅值、船艏加速度，船舯加速度以及船艉加速度。

在以耐波性为主要评价指标的船舶设计中，如何评价耐波性的好坏是首先要解决的问题。戴仁元等［2］认为可以通过作业时间百分数来评价船舶耐波性的好坏。作业时间百分数是指船舶在波浪中能够正常作业的时间与船舶在静水中能够正常作业的时间之比。其主要思想就是依据经验或计算船舶在设计海况下的运动响应幅值，根据所设定的阈值判断船舶能否正常工作，并以此来计算船舶正常工作的时间。该方法的主要优点在于以船舶的实际使用情况来判断耐波性的好坏，既直观又实用。遗憾的是，如何准确计算船舶在波浪中的运动响应是一个较大的挑战，而经验公式需要大量的实船测试数据，不能很好地预报各类船型的响应情况。与此同时，日本学者尝试通过航行记录仪来记录实船在波浪中的运动响应，以此来评估船舶的耐波性［3］。早在1964年，日本学者就通过大风浪高速航行的实船试验得到了1艘货船在各种航速条件下的纵摇值和船艏垂向加速度所能忍受的极限值。从1990年开始，日本东京商船大学从1990年开始，通过在1艘日本—北美—东南亚航线的集装箱船上安装航行资料自动记录系统，得到了大量的船舶在不同海况、不同装载下的运动特征量响应值的实际资料，并以此计算出了包括如有义波高与各船舶运动特征量的相关系数。该方法得到的数据准确可靠，且能够指导船舶在航行中运动姿态的调整。但是，该方法的成本较高，不适合大规模使用，而且只能检验船舶的耐波性而不能预报，在船舶设计中仅对母型改造有参考价值。熊文海［4］针对上述研究存在的不足提出建立综合的耐波性方程来评估大风浪中船舶的安全性。其主要思想是在考虑了耐波性的诸多方面后，确定出每一个因素的临界状态值，然后提出船舶耐波性的评估方程，评估船舶在风浪中的安全性。从理论上说，沈华等［5-6］认为该方法非常全面，能够反映船舶的整体耐波性能，但是由于实际计算中各个因素的作用规律与相互之间的干扰很难确定，所以该方法没有能够得到广泛使用。目前，一种新的模糊综合评价方法得到了很多研究人员的关注［7-9］。国内外的一些学者根据船舶耐波性的实测数据或者经验值，通过模糊综合评价理论将耐波性的评价问题变为多准则的系统问题。该方法较之综合耐波性方程方法有着更好的实用性，是目前研究的热点之一［10］。

实际上，通过船模试验方法来评价船舶的耐波性能是一种非常实用的方法［11-12］。该方法与实船试验相比成本较低，且能够在船型设计阶段就起到很好的预报和指导作用，更重要的是，该方法的测试结果较为准确，比起经验预报值或者理论计算值有更好的可信度。在船舶航行过程中，往往1个或者几个指标是设计工作者所重点关注的，船模试验可以突出这些指标的作用。

1 试验理论

1.1 耐波性试验理论基础

船模在拖曳水池中进行的规则波试验所测量的响应值：升沉值Z、纵摇角θ、垂向加速度a以下列无因次化形式表达：

式中：Za为升沉幅值；θa为纵摇幅值；aa为加速度幅值；ξa为波幅；Lm为船长；k为波数；g为重力加速度。

以波长船长比（λ/L）为横坐标，以上各项为纵坐标绘制出无因次响应曲线［12］，并将试验结果进行不规则波中的响应统计特性谱分析，做统计预报，其表达式为

式中：mn为摇荡响应谱n阶谱矩，采用梯形积分计算；ωe为遭遇频率，ωe=ω-ω2Vcosβ/g，ω为风浪自然频率，上式积分区间由波谱和试验波长决定，本次计算频率截断ω：0.2～2.0 s-1；β为浪向角（定义β=180°为顶浪），V为航速；Yyζ(ωe)为频率响应函数，由规则波试验响应曲线求得；Sζ(ω)为本次预报采用的ITTC双参数海浪谱（1969年第12届国际船模水池会议推荐），其谱密度函数（单位为m2·s）为

式中：ξw1/3为有义波高，m；为波浪的特征周期，s，m0，m1为海浪谱对原点的零阶矩和一阶矩。海浪等级与其特征参数如表1所示。

表1 海浪等级及特征参数Tab.1 Wave level and characteristic parameters

有义波高ξw1/3由北半球大西洋海浪的统计资料查表而得，在有义波高ξw1/3和谱峰周期TP为特征参数表征海浪时，平均周期T1与谱峰周期TP之间的关系，采用以下公式表示

在不规则波试验中，拖曳水池六单元冲箱式造波机亦使用第12届ITTC双参数海浪谱参数造波，模拟有义波高ξw1/3=3.25 m，波浪特征周期为T1=7.49 s的统计海浪谱。对模型进行迎浪、纵向运动两维不规则波试验。通过试验测量相应海况下船模纵摇、升沉、艏舯艉3点垂向加速度的有义值并预报实船的值。

1.2 耐波性试验准备

1）船模重心纵向位置调整（图1）。

图1 船模重心调整示意图Fig.1 Adjustment of ship's center of gravity

船模称重并配载至要求重量，船模重心纵向位置严格按各状态水线调整。

2）船模重心垂向位置调整（图1）。

在船模上设置调整轴（刀口），轴中心为O点。先将船模调平，再移动一块重物P，移动距离为l，则船模绕调整轴倾斜，倾角为则

式中：OA为测量点距轴中心O的距离；AA′为测量点在移动重物前后的高度差；Dm为船模排水量。

因此，重心距基线高度为

调整时，若算得重心高不满足在设计重心高±1%变化范围内的这一要求，则反复调整配载垂向高度直至符合要求。

3）船模横向质量惯性矩调整。

将上述调整后的船模绕调整轴（横轴）摇荡，用秒表测其摇荡周期T，则可求得船模横向质量惯性矩

如果所求Ix与要求的不符，则以O轴为中心，横向对称移动配载，并保持高度不变以改变摇荡周期T，直至符合要求为止。

4）测量点位置。

运动参数测量点分别为：陀螺仪设置在船模重心处；测距仪对准船模重心；加速度仪分别为船艏加速度仪（19站）、船舯加速度仪（重心处）、船艉加速度仪（0站）。

2 优化目标与型线改进

2.1 船舶主要参数

试验用模型均为木质模型，表面打磨、抹灰、喷漆、抛光，模型内部进行了防漏水处理。船模缩尺比为1∶45，实船与进行耐波试验时的船模的主要参数如表2所示。需要说明的是，之所以采用这个缩尺比主要考虑以下2个因素：一方面是从耐波性试验的角度考虑缩尺比需要偏小，以保证试验不规则波的波高不至于使船模倾覆；另一方面从阻力试验的角度缩尺比应尽量接近1，以保证阻力测试的准确性。综合上述2个原因，在保证船舶不至于倾覆的情况下使得缩尺比尽量大，最终选用该缩尺比。

表2 实船的主要参数Tab.2 The main parameters of ship

2.2 优化目标与改进方案

根据本船的使用需求，改进目标是在船舶阻力增加不超过10%的情况下，通过测试纵摇幅值、升沉幅值、船艏加速度值（19站）、船舯加速度值（船舶重心处）和船艉加速度值（0站）这5个指标来评价该船的耐波性能好坏，改进后的船舶这5项指标在运动响应峰值处均减小10%以上。

本船改进方案在于附体的变化（图2～图3），通过增加球鼻艏和舭龙骨来增强船舶耐波性以及尽量减小阻力，代表球鼻艏几何特征形状的参数（与船体主尺度相比，已经无因次化）如表3所示；舭龙骨参数如表4所示。

图2 原船型线Fig.2 The hull lines

图3 改进后型线Fig.3 The optimized hull lines

表3 球鼻艏参数Tab.3 The parameters of bulbous

表4 舭龙骨参数Tab.4 The parameters of bilge keel

3 试验结果分析

3.1 静水阻力试验

船舶静水阻力试验表明，改型后尽管湿表面积和排水量稍有增加，但是船模的总阻力增量最大不超过7%，而且在设计航速下（25 kn，对应船模速度1.92 m/s）的阻力增量不超过4%，很好地满足了设计目标的第1个条件，阻力增加不超过10%。图4为船模阻力曲线，表5为船模阻力试验数据，其中R1为改型前的静水阻力，R2为改型后的静水阻力。

图4 船模阻力曲线Fig.4 Resistance curves of model test

表5 船模阻力试验数据Tab.5 Resistance data of model test

3.2 耐波性指标评价

为了充分比较船模改型前、后的性能好坏，进行了2个设计航速（18和25 kn）下船模运动响应试验情况的对比分析，试验结果如图5～图6所示。

从图5和图6可以看出，对于最关心的纵摇运动响应曲线，在试验所测波长范围内，航速为18 kn时，纵摇运动幅值的峰值在波长船长比λ/L=1.41左右，其峰值减小13.4%；25 kn时，出现在λ/L= 1.68左右，其峰值减小12.5%；在长波范围内其减摇效果也非常明显，可达7%以上，说明这一指标达到了设计目标。

图5 无因次纵摇响应曲线（18 kn）Fig.5 Non-dimensional pitch curves（18 kn）

图6 无因次纵摇响应曲线（25 kn）Fig.6 Non-dimensional pitch curves（25 kn）

表6和表7是规则波船模在迎浪18 kn和25 kn时运动响应试验数据（均已按第1节中耐波性试验理论公式无因次化），从表中可以看出，在波长较大的情况下，改型后的垂荡幅值与波幅之比甚至要大于改型之前的比值，但这并不意味着改型失败。船舶在不规则波中的运动响应可以由规则波运动响应曲线来预报，由于不规则波各个波长能量密度不一样，海浪谱密度函数存在峰值，且在峰值外衰减到趋于零的速度非常快，所以尽管有些波长下的响应幅值不满足设计要求，但是总体的响应满足设计要求。在设计航速18和25 kn的情况下，通过规则波预报5，6级海况下迎浪各状态的纵摇幅值、升沉幅值、加速度幅值如表7所示（表中，α1~α3分别代表艏、舯、艉无因次化加速度值）。

表6 规则波船模迎浪运动响应试验数据（实船18 kn航速）Tab.6 The model test data of ship motion in regular waves(ship speed is 18 kn)

表7 规则波船模迎浪运动响应试验数据（实船25 kn航速）Tab.7 The model test data of ship motion in regular waves(ship speed is 25 kn)

图7和图8是改型后的船舶在5，6级海况下通过规则波试验值预报的运动幅值相对于改型前船舶运动响应预报值的减小量百分比。可以看出，在18和25 kn航速时，纵摇值和加速度值可以减小15%左右，效果非常明显。因此加装球鼻艏和舭龙骨后船舶的耐波性有了较大提升，达到了设计要求。

图7 规则波预报值增量图（18 kn航速）Fig.7 Forecast values in regular wave（18 kn）

图8 规则波预报值增量图（25 kn航速）Fig.8 Forecast values in regular wave（25 kn）

3.3 规则波预报值与不规则波试验值对比

船模不规则波试验首先要确定试验波谱，如前文所述，模型试验中采用12届ITTC双参数海浪谱，不规则波模拟有义波高为3.25 m，对应的波浪特征周期为7.49 s的统计海浪谱。经过测试分析，试验波谱与标准海浪谱如图9所示。可以看出，试验波谱与标准海浪谱在谱面积、峰值等主要参数上都非常接近，可以判断该海浪谱满足试验要求。通过试验数据分析软件处理，可以直接得到船模在不规则波中的运动响应值。

图9 试验波谱与标准海浪谱Fig.9 Experimental spectrum and standard spectrum

表8为改型后的船模在不规则波中的运动响应测试值与规则波试验预报值之间的对比，不难看出测试值与预报值非常接近，其中偏差最大的是18 kn航速下的纵摇幅值，规则波预报值相对不规则波测试值小7%。这一现象可以说明试验值基本可靠。

表8 规则波预报值与非规则波试验值比较Tab.8 Comparison of regular wave forecasting and irregular wave experiment

4 结 语

通过试验测试表明，改型后的船舶在阻力增加不超过阈值的情况下，耐波性能得到了较大的提升，10个测试值中，9个均满足设计要求，仅有1个略低于设计指标。可以判断，球鼻艏和舭龙骨对于该船型的耐波性能有较大提升。不规则波试验结果与规则波预报值的对比表明，在不具备不规则波试验的条件下，通过规则波试验来预报船舶在不规则波上的运动响应是可行的，这将极大降低试验成本，为耐波性评估提供另一种合理的选择。

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［责任编辑：胡文莉］

Hull lines optimization based on the evaluation of seakeeping performance

ZHANG Yao1，WANG Kai1，YANG Shuai2，CHEN Chen1，FEI Yuting1，HOU Guoxiang1
1 School of Naval Architecture and Ocean Engineering，Huazhong University of Science and Technology，Wuhan 430074，China 2 China Ship Development and Design Center，Wuhan 430064，China

The seakeeping performance of ships is an important index of evaluating ship performance. With an increasing number of instruments and weapons systems being used in shipbuilding,the issue con⁃cerning how to keep these systems working is of vital importance to ship designers.However,as the ship's seakeeping performance is contradictory with its speed performance,a reasonable evaluation scheme of the seakeeping performance is essential.In this paper,five sets of data of the sea-keeping performance that re⁃ceive most attention-pitch amplitude,heave amplitude,acceleration in the bow,the amidships,and the stern-are obtained through model tests.The hull lines are then optimized to improve the sea-keeping per⁃formance with the added resistance being limited within a certain threshold.Meanwhile,in order to ensure the accuracy of the tests,the response of ship motion in irregular waves is compared with the experimental values,and results show that the five indicators for sea-keeping performance of modified ships are success⁃fully optimized to meet the design goals.

bulbous bow；ship model test；irregular wave；ship motion

U661.32

A

10.3969/j.issn.1673-3185.2015.06.002

http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1755.TJ.20151110.1025.004.html期刊网址：www.ship-research.com

张耀，王凯，杨帅，等.基于船舶耐波性评价的型线优化［J］.中国舰船研究，2015，10（6）：8-14. ZHANG Yao，WANG Kai，YANG Shuai，et al.Hull lines optimization based on the evaluation of seakeeping performance［J］.Chinese Journal of Ship Research，2015，10（6）：8-14.

2015-05-11 < class="emphasis_bold"> 网络出版时间：

时间：2015-11-10 10:25

国家自然科学基金资助项目（51475179）

张耀，男，1991年生，硕士生。研究方向：船舶与海洋结构物设计制造。E-mail：zhangyao_hust@163.com侯国祥（通信作者），男，1972年生，教授，博士生导师。研究方向：高性能船型开发。E-mail：houguoxiang@163.com