基于NAPA软件的渔业船舶完整稳性分析

蔡计强， 谌志新

(1 上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院，上海 200240；2 农业部渔业装备与工程技术重点实验室，中国水产科学研究院渔业机械仪器研究所，上海 200092)



基于NAPA软件的渔业船舶完整稳性分析

蔡计强1,2， 谌志新2

(1 上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院，上海 200240；2 农业部渔业装备与工程技术重点实验室，中国水产科学研究院渔业机械仪器研究所，上海 200092)

为验证NAPA软件在渔业船舶应用上的可行性和采用船舶静力学原理计算完整稳性的精确性，根据南海海域49.5 m金枪鱼延绳钓船的特定作业工况，分别采用NAPA软件和表格进行计算。计算结果表明，两种计算方法的偏差在2%左右，能够满足工程应用的精度要求。对气象衡准计算，分别采用了渔业船舶规则和国际海事组织(IMO)规则，由于算法不同，其偏差较大。通过比较发现，渔业船舶规则对气象衡准的要求高于IMO规则的要求。在没有条件使用大型船舶计算软件，且船舶处于平浮状态时，采用船舶静力学原理的计算结果是精确的。采用了船舶静力学原理并建立了NAPA计算模型，通过实例计算表明，NAPA软件具有在渔业船舶应用上的可行性和采用船舶静力学原理计算完整稳性的精确性，该结论可为船舶设计人员选取不同计算方法时提供参考依据。

完整稳性；NAPA；渔业船舶；气象衡准

完整稳性是关系船舶能否安全运营的一个重要指标[1-4]。船级社和渔船检验机构都非常重视对其的检验和审查，并颁布了详细的检验衡准[5-6]。鉴于船舶稳性的重要性及近年来海损事故频发的现实，国际海事组织(IMO)正在制定完整稳性的第二代衡准，并将其作为2008年国际完整稳性规则(2008 IS CODE)A部分强制性要求的补充和替代方法。国内已开展了相关的研究工作[7-10]。在图纸审查方面，相较于运输船舶由船级社审核，我国的渔业船舶则由渔船检验局审核。不同的检验机构对完整稳性衡准的定义有所不同。运输船舶一般采用芬兰的总体性能软件NAPA进行校核。而渔业船舶，由于受制于资金不足等问题，长期以来都是自行编制计算表格用于计算。

为提高渔业船舶的设计效率，已有多家设计单位引进了NAPA软件，并运用于完整稳性校核。运输船舶长期采用NAPA软件，其计算结果经过设计单位、船厂和船级社的多次验证，其建模方法和计算结果均具有较高的可信度。工程应用一般都有一定的可接受误差范围，如中国船级社对初稳心高GM值的可接受误差为1%，对复原力臂GZ的可接受误差为5%[11]。首次在渔业船舶上应用NAPA软件，并且由于船型、作业工况和校核衡准的差异性，有必要对NAPA软件进行校核。本文分别采用表格计算和NAPA软件进行计算。表格计算是指运用船舶原理并采用辛浦生积分法所进行的稳性计算(在不产生误解的前提下，以下简称“表格计算”)；而NAPA软件则采用数值积分的方法进行计算。

1 渔业船舶作业工况配载

1.1 渔业船舶作业工况

渔业船舶有多种作业工况，不仅要从事捕鱼作业，并且要尽快地将渔获物运输上岸以保证鱼的品质，同时还要具备优良的快速性以躲避恶劣海况，实现安全作业。渔业船舶规则要求必须校核满载出港、捕鱼中、满载返港、满载到港和空载到港等典型作业工况。总体布置时，渔业船舶通常将燃油舱布置在船舶的底部，在满载出港时有利于降低船舶重心。但在满载到港时，燃料消耗得只剩下10%，且渔获物有时存放在高处的冻结间，这将提高船舶的重心。本文计算时将选取较危险的满载到港作为校核工况。

1.2 空船重量估算与作业工况配载

本文的考察对象为在南海作业的49.5 m金枪鱼延绳钓船，其垂线间长LPP=43 m，型宽B=8.2 m，型深D=3.55 m，设计吃水d=3.1 m，排水量Δ=780.78 t。空船重量的准确估算对完整稳性计算很重要。对相同船型进行统计回归后，得到了渔业船舶重量重心的多项回归公式[12]：

LW=K×Lpp0.9×B1.2×D0.7

(1)

式中：LW—船舶空船重量，t；K—无因次系数；Lpp—垂线间长，m；B—型宽，m；D—型深，m。

选取船型相近的母型船后运用该回归公式并选取相同的K值，可以较为准确地估算出新船的重量重心。估算得到的空船重量LW=527.5 t，船舶重心纵向坐标LCG=19.25 m，船舶重心垂向坐标VCG=3.33 m。表格计算时，需要计算空船重量、油水舱和其他配载的重量重心，并汇总垂向力矩和纵向力矩，最后得到该作业工况下的整船重量重心。用NAPA软件计算时，在完成线型建模和舱室分舱后，只需要输入空船重量重心并进行合理配载，就可以完成作业工况的配载。用到的NAPA语言为：LOAD，load，amount，location，如LOAD，FW，*1，R1.01，其含义为在舱室代号为R1.01的No.1 淡水舱内加载满舱的淡水。用以上2种方法分别进行配载，其计算结果是一致的，排水量766.6 t，重心距艉柱20.504 m，重心高度3.071m。

2 自由液面修正

2.1 自由液面对初稳心高的修正

根据渔业船舶规则[6]的要求，凡存在自由液面的液体舱，均应计算装载50%舱容液体的自由液面影响，如果舱的形状特殊，存在更为不利的自由液面影响，则应按更不利的情况计算自由液面影响，而IS CODE[5]要求按照形成最大惯性矩的液面进行计算。为了船舶安全、提高稳性裕度，船级社和渔船检验局一般都按形成最大惯性矩的液面进行初稳心高修正。本文的两种计算方法均考虑最大自由液面影响。计算时对表1中的液舱进行自由液面修正。表格计算时，自由液面修正力矩为26.66 t·m，自由液面修正值为0.034 8 m；应用NAPA软件时，自由液面修正力矩为26.68 t·m，自由液面修正值为0.034 8 m。可以看出，两种算法的计算结果是一致的[13-14]，按照船舶静力学原理，其初稳心高修正公式如下：

δGM=∑ρnIn/Δ

(2)

式中：δGM—初稳心高修正值，m；ρn—某一个液舱内的液体密度，t/m3；In—某一个液舱自由液面惯性矩，m4；n—全船应计及自由液面影响的液舱的序号。

GM=KM-KG-δGM

(3)

式中：KM—横稳心高，m；KG—作业工况下的重心高度，m。

通过公式(3)，可以算出该作业工况下的初稳心高GM。

2.2 自由液面对稳性曲线的修正

考虑自由液面对稳性曲线的修正时，应根据渔业船舶规则[6]的要求进行核算，计算某一个液舱自由液面修正力矩，公式如下：

(4)式中：Mφ—不同横倾角的自由液面修正力矩，t·m；V—舱柜的最大容积，m3；b—舱柜的最大宽度，m；ρ—舱柜中液体的密度，t/m3；k—无因次系数(按照b/h进行计算)；δ—舱柜的方形系数；h—舱柜的最大高度，m；。

(5)

(6)

(7)

采用公式(3)～(7)，算出不同横倾角的自由液面修正力矩Mφ，并用下面公式计算复原力臂减小值δGZ：

(8)

表1为按照上面的计算方法并用表格计算得到的自由液面修正力矩。表中所列舱室在船上的位置按图1所示。

表1 自由液面修正力矩

R1.01P&S—No.1淡水舱(左&右)；R1.02P&C&S—No.2 淡水舱(左&中&右)；R2.01P&C&S—No.1 燃油舱(左&中&右)；R2.02P&S—No.2燃油舱(左&右)；R2.03—日用油柜；R3.01—滑油舱；R3.02—污油舱；R4.01、R4.02、R4.03—No.1、No.2、No.3冷藏鱼舱；R5.01—生活污水舱。图1 NAPA计算模型Fig.1 The NAPA calculation model

用NAPA软件计算时，按照IS CODE的方法进行修正。NAPA软件的语法为：FRS，‘(R1.02P R1.02S R1.02C)/ALL IMO 0’，‘(R2.01P R2.01S)/ALL IMO 0’，其含义为R1.02(P&C&S)和R2.01(P&S)按照IMO的规则进行修正。NAPA软件没有详细列出自由液面修正过程，只能通过改变修正方法来更改。

采用公式(8)进行表格计算得到不同横倾角度的复原力臂减小值δGZ，并与NAPA软件计算得到的修正值进行比较(表2)，两种计算方法的最大差异比值为3.17%。复原力臂减小值δGZ对静稳性曲线的准确绘制具有至关重要的作用，差异越小的δGZ表明静稳性曲线的差异也越小。虽然NAPA软件没有给出自由液面的具体计算公式，但计算结果表明，船舶原理对表格计算或NAPA软件均具有普适性。由于δGZ的数值为毫米级别，其计算结果的差异更多来自截断误差。

表2 不同横倾角下的复原力臂减小值δGZ

3 气象衡准校核

3.1 渔业船舶规则对气象衡准的规定

气象衡准数K值体现了船舶在风浪联合作用下的稳性水平，一般情况下K值越大稳性越好[15-17]。采用渔业船舶规则[6]进行校核时，稳性衡准数K应符合下式要求：

(9)

式中：lq—最小倾复力臂，m；lf—风压倾侧力臂，m。

风压倾侧力臂lf按下式计算：

(10)

式中：Av—船舶受风面积，m2；Z—计算风力作用力臂，m；Δ—所核算装载工况下船舶的排水量，t；P—单位计算风压，Pa。该工况在远海航区时，其风力作用力臂为2.689 m，受风面积为231.54 m2，对应的单位计算风压P为1 062.3 Pa。表格计算时，由图1可得最小倾覆力臂，该值大小与船舶横摇角和进水角有关系。如图1所示且经计算，最小倾覆力臂lq=0.171 3 m，风压倾侧力臂lf=0.088，K=1.948。

3.2 国际海事组织对气象衡准的规定

我国渔业船舶规则与国际海事组织(IMO)规则在气象衡准计算上所用的方法是不一样的。前者采用力臂比，后者采用面积比，但其所要求的K值都要大于1。从表3可以直观地看出两种衡准的区别[2]。

表3 气象衡准对照表

用NAPA进行气象衡准计算时，其定义语法如下：

CRIT, IMOWEATHER, ′IMO weather criterion′

TYPE, ARATIO1

REQ, 1

RANG, EQ-ROLL, MIN(50, FAUN)

MOM, IMOWIND

OK

该条语法的意思是：无限航区时采用IMO定义的风压，即504 Pa，其横倾角范围为从平衡点向左到横摇角，向右到50度或进水点的较小值。经计算，b=0.150 7 m·rad，a=0.048 8 m·rad，最终计算结果为面积比K=b/a=3.088。

4 完整稳性衡准

4.1 稳性衡准计算方法介绍

衡量渔业船舶稳性的优劣性，主要从以下几条衡准来判断：不同横倾角时GZ曲线下的面积；初稳性高、横倾30度时的复原力臂；最大复原力臂对应角和气象衡准数。表格计算时，将静稳性臂和动稳性臂画在CAD图上(图2)，再从图中量取所需的面积值、复原力臂和角度等。

用NAPA计算，则是采用编制NAPA BASIC语言实现稳性衡准的定义。

图2 表格计算完整稳性Fig.2 The table calculation of intact stability

4.2 完整稳性差异比较

为了直观地反映完整稳性衡准的差异性，对国内规则和国际规则对完整稳性的不同要求进行了汇总，并表列了采用渔业船舶规则的表格计算和采用2008国际完整稳性规则(2008 IS CODE)

的NAPA计算的验算结果，列出了这两种计算方法的差异比值(表4)。

由表4可以看出，除了气象衡准差异较大外，其余衡准数的偏差都在2%以内。表格计算时，K=1.948，而NAPA计算时，K=3.088。其计算结果的差异更多地来源于计算公式的不一致，如表3所示的横摇角计算公式。表格计算时横摇角φa=17.974，而NAPA计算时φa=18.714。由表4也可看出，采用渔业船舶规则所得的K值要比采用IMO规则所得的数值小，即渔业船舶规则更加严格[2]，与通常认为的国际法规比国内法规严格是有矛盾的。

渔业船舶规则[6]上写明：如果船舶符合IMO的稳性衡准要求，验船部门可予以同意。表4也对完整稳性进行了对比，其不同点在于对初稳心高GM的要求不同，对常规运输船GM最小值为0.15 m，对渔业船舶则为0.35 m。通过本案例分析可以发现，采用IMO规则进行校核时，特别是气象衡准，考虑到船舶安全性，应该留有一定的余量，这可为渔业船舶规则的修正提供参考依据。

表4 完整稳性差异汇总表

5 结论

分别采用表格计算和NAPA软件进行计算，可以起到相互验证的作用。在验证过程中，设计人员能更好地掌握软件的应用方法和其中参数的具体含义，避免由于参数设定不正确而造成计算结果的错误。在作业工况较少的情况下，采用表格计算是没问题的，但在作业工况较多的情况下，会比较繁琐，且容易出错。如果第二代完整稳性衡准生效，将加大表格计算的难度，也将影响计算结果的精确性。

NAPA软件目前已经得到了广泛的应用，并且有部分船级社直接将其作为校核软件，如日本船级社NK、意大利船级社RINA和英国LR船级社等。该软件具有优良的拓扑关系，这将提高多工况的计算效率，也能快速地比较多个设计方案的优劣性，可缩短计算时间。采用NAPA软件计算具有快速性和准确性的特点，该软件应用于渔业船舶，能够提高设计效率、减少出错率，有利于渔业船舶工程快速发展。

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Analysis on the intact stability of the fishing vessel >based on NAPA software

CAI Jiqiang1,2， CHEN Zhixin1

(1 School of Naval Architecture, Ocean & Civil Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China ; 2 Key Laboratory of Fishery Equipment and Engineering, Ministry of Agriculture, Fishery Machinery and Instrument Research Institute, Chinese Academy of Fishery Sciences, Shanghai 200092, China)

For the purpose of verifying the feasibility of NAPA software in fishing vessel and the accuracy of the stability calculation with the ship’s hydrostatical theory, according to the special loading condition of the 49.5 m tuna longliner ship, the NAPA software and the table calculation were used respectively. The calculation results showed that the deviation of the two methods was about 2%, which could satisfy the accuracy requirements of the engineering application. About the weather criterion calculation, the Fishing Vessel Statutory Inspection Rules and the International Maritime Organization (IMO) Codes were used respectively. Because of the method difference, the result deviation was a bit large. The comparison results indicated that the requirements of Fishing Vessel Statutory Inspection Rules to weather criterion was stricter than that of the IMO Codes. In the absence of using the large ship calculation software and the ship was untrimmed, the results using the ship’s hydrostatical theory were reliable. As the large ship calculation software is used frequently by the designer, so the calculation principle of the NAPA software is necessary for analysis. The ship’s hydrostatical theory was adopted and the NAPA calculation model was established. Through the real example calculation, the results showed the feasibility of NAPA software in fishing vessel and the accuracy of the stability calculation with the ship’s hydrostatical theory. In addition, the results could provide reference foundation when the ship designer selects different calculation methods.

intact stability; NAPA; fishing vessel; weather criterion

2015-09-03

2016-01-10

公益性行业(农业)科研专项“渔业节能关键技术研究与重大装备开发(201003024)”；上海市科技兴农项目 “渔船船型标准化及节能技术集成示范与推广( 沪农科推字2012第2-3号)”

蔡计强(1985—)，男，硕士研究生，研究方向：船舶总体设计。E-mail：cjq-ssy@163.com

谌志新(1969—)，男，研究员，研究方向：海洋渔业工程装备。E-mail：chenzhixin@fmiri.ac.cn

10.3969/j.issn.1007-9580.2016.01.008

U674.4

A

1007-9580(2016)01-041-06