船舶耐波性设计及评估方法研究

高占锋

（江苏海艺船舶科技有限公司，江苏 镇江 212009）

船舶耐波性设计及评估方法研究

高占锋

（江苏海艺船舶科技有限公司，江苏 镇江 212009）

耐波性是船舶设计重要的参考指标，本文在分析船舶耐波性及其运动方程式的基础上，探讨耐波性衡准单项指标和综合指标，并结合3000t工程起重船为例，就耐波性评估方法及应用进行了论述，指出了耐波性设计及评估方法的可行性，具有较强的应用价值和实际意义。

船舶；耐波性设计；评估方法

1 船舶耐波性概述

船舶在波浪中的运行是不可避免的，关键是要防止船舶在波浪中发生过大运动，确保船舷安全以及其他船舶功能不受损害。船舶耐波性是指船舶在波浪的扰动下，即使有横摇、甲板上浪、螺旋桨飞车等问题，仍能维持一定航速安全运行的能力，船舶的耐波性对保障船舶航行安全尤为重要。现实中，主要通过各种耐波性评价方法（如BP神经网络耐波性评价法等）评估船舶的耐波性，其原理是计算一定风浪环境下船舶航行的耐波性安全评估值，并根据计算出的评估值大小选择不同风浪条件下船舶最有利的航速和航向，指导船舶的航行操作，确保船舶航行安全。

从船舶设计者的视角看，船舶耐波性应从船舶的适居性、使用性和生命力方面综合考量。根据6个自由度的运动均值或特征值来看，加速度特征值、运动和加速度的极值、甲板淹湿、砰击和砰击负荷、波浪诱导振动、船体相当梁弯矩、船体挠度、局部波浪负荷、所需功率的增加、螺旋桨空转、尾轴负荷和航向稳定性等。

2 船舶在波浪中的运动方程式及耐波性设计

2.1 船舶在波浪中的受力

船舶在波浪中受力主要包括6个方面：重力，即船舶在运动过程中，其大小、方向和作用点是不变的；船体本身的惯性力；浮力，在船舶运动中是变化的；辐射流体动力，由船舶摇荡运动产生；波浪扰动力，包括不受船体扰动的入射波的变动水压力形成的流体动力，以及波浪遇到船体后时产生绕射流体动力；流体粘性力，除横摇运动外，流体粘性力一般不予考虑。

2.2 运动方程式

设定船舶作为一个刚体，忽略弹性变形；不考虑水的粘性和可压缩性；假定作用于船体上的微幅规则波，可应用线性理论；假定船舶摇荡幅度微小，除大角度横摇外，船舶在波浪中受力和运动都可以作为线性问题处理，应用叠加原理。

3 耐波性衡准

耐波性指标受很多因素的影响，既与海洋环境条件有关，也与船舶任务不同而不同，目前还没有一个统一的标准。但总体来看，船舶的耐波性指标主要可以分为两大类：一类是单项指标，即针对耐波性中某一性能的指标；另一种则是对感兴趣的若干耐波指标的综合评价。在实际中，根据船舶设计要求和工作任务决定选择采用单一指标还是综合指标。

3.1 耐波性单项指标

（1）船体的绝对运动幅值。主要包括横摇角、纵摇角、垂荡、甲板上某点的垂直位移和船底某点的垂直位移。横摇角、纵摇角和垂荡与船员的舒适性、仪器设备能否正常运行密切相关，横摇角若过大会直接影响船舶的安全。甲板上某点垂直位移的大小对于具有舰载机能力的船舶是一个重要的衡准指标，会关系到飞机的起降安全。

（2）横摇运动周期。为避免船舶与经常遭遇的波浪发生横摇谐摇，因此，有时需要对横摇固有用期提出限制要求。例如，东海一带海域时常会遭遇到50～60m海浪波长，相应的波浪周期应设置在6s左右，所以，在这一带航行的船舶的横摇固有周期应尽量避开这一数值。

（3）绝对加速度。绝对加速度包括垂向加速度和晕船率。其中，垂向加速度的大小与垂向惯性力成正比，过大的惯性力可能会损伤设备、降低系统的效能；晕船则主要取决于运动加速度和运动周期，随着垂向加速度的不断增加，晕船率会显著增加。

（4）相对波面运动。产生耐波性的船体相对波面运动主要包括船艏底部砰击频率、甲板淹湿频率、螺旋桨出水概率等，不同类型船舶的相对薄面运动评价指标不同。例如，相对于压载航行的货船，需要考虑的艏部砰击频率和螺旋桨的出水概率。

（5）波中失速。船舶在风浪中的失速是指在推进动力装置功率调定后，在风浪中较在静水中航行时航速的降低值。不包括主动减速因素，即不包括船舶在风浪中航行时为减少风浪对船舶的不利影响而认为调低主机功率，使航速较静水中下降的数值。

3.2 耐波性综合指标

船舶的综合性指标主要是船舶作业时间百分数和船舶期望航速百分数两大类。其中，①船舶作业时间百分数是指船舶在规定的装载及环境条件下执行任务时所能成功作业的百分数。其中：TW表示海浪中可以完成作业任务的时间；Ts表示船舶在静水中可以完成的作业任务的时间。②船舶期望航速百分数是指船舶在相同的装载及污底情况下，在海浪中航行两或多地的平均速度同静水中设计航速的比值，这一比值等价于运行时间指标，即船舶在静水中的航行两或多地所需时间与其在给定海况或季节航行于该地的实际需要时间比值。其中，VW表示海浪中航行两或多地的平均速度；Vs表示船舶在静水中的设计航速；ts表示海浪中航行两或多地实际所需要的时间；tw表示静水中以设计航速航行两或多地所需的时间。

上述给出了船舶设计时其耐波性指标时所需要参考的衡准指标，计算这些耐波性指标是还应综合考虑必备条件因素：船舶的任务布置，即设计船舶的主要任务以及各任务的相对重要性要设计时就明确；两种耐波性衡准组，要合理选定；结合海况条件实际，选择简单又可靠的计算方法；船舶作业区域的主要海况资料等。

4 船舶耐波性设计综合评估法及应用

4.1 船舶耐波性设计综合评估法

根据船舶设计要求和调查分析，依据母型船法和经验法等传统方法，现行确定船舶的主尺度设计范围。在主尺度设计范围内选择N个主尺度船舶设计方案，并从线型设计、舱室布置、甲板等做好每一个方案付诸实施。并根据方案设计出的装载工况的稳性和强度等船舶基本性能指标，对比分析确定M个现实可行的主尺度设计方案，通过对比确定设计船舶的耐波性能影响因素和衡准指标，然后再对M个主尺度设计方案的耐波性能指标进行计算和相应的对比分析，在M个方案中确定一个最佳的主尺度设计方案，再根据航海规范以及其他规范计算出典型的装载工况，结合船舶主要耐波性能因素和性能指标选择出一定的装载工况计算，并分析设计的船舶的耐波性能指标，最后做出综合性的评估。

4.2 船舶耐波性设计综合评估法应用

通过3000t起重工程船舶设计为例，就综合评估法在船舶的耐波性设计中的应用进行探讨。其中，主要包括两个方面内容：3000t起重船的主尺度设计方案比对优选；评估设计船舶的耐波性能。

（1）主尺度比对优选。3000t工程起重船舶主要应用于非旋转吊臂起重作业起吊重物所用，其中重要考虑的性能设计指标包括船舶的稳性、船舶结构强度以及调倾能力等。此外，作为无推进动力装置，起重船舶的阻力性能如何会影响传播的调遣能力。因此，要从结构强度、稳性、调倾能力、耐波性能以及阻力等方面综合考虑船舶的主尺度设计。为此，应从稳性指标、耐波性指标以及结构强度指标等，将这些指标进行计算和分析，最终优选出合适的起重船舶主尺度，并将其作为最终设计方案。

（2）主尺度设计方案。针对3000t起重工程船舶的特点，参照母型船以及之前的成果，根据工程起重船舶的作业特点和海域情况，确定船舶长度为98-102m，船宽为41-45m。结合船舶、船宽设计长度或宽度对起重船舶的稳性、阻力和耐波性的实际影响，制定出了9套主尺度设计方案：船长分别选择98m、100m、102m，船宽选择为41m、43m、45m。根据先前设计经验，以及母型船的船舶作业任务，确定船体布置、舱室划分等主要机械布置，确定9套空船重量设计方案。再根据这9种方案设计船体模型，并将9种方案所装载的工况进行计算。为便于优选比对，将9个方案设计中的模型参数进行统一规定：装载工况相似，吃水深度均为4.5m；船舶的横摇惯性半径和纵摇惯性半径按照装载工况沿设计船舶的船长方向的质量分布进行计算。船舶横摇阻尼系数取船体临界阻尼系数的6.5%；船舶的重心则根据NAPA模型计算获得。9种方案的船舶船艏和船尾线型设计相似。海浪谱选择船舶设计规范中所规定的P-M谱。

结合起重船舶设计任务书的要求，后期船舶作业及海域的抗风海况分别是H1/3=3m、波浪跨零周期T=8s，以及H1/3=2.5m、波浪跨零周期T=6.5s，此时，海况条件作为耐波性能指标对比波浪环境条件。

最后将9种船舶主尺度方案的稳定性指标、结构强度指标和耐波性指标以及阻力性能指标进行计算比选，得出最优设计方案。

[1]李积德.船舶耐波性[M]哈尔滨.哈尔滨船舶工程学院出版社，1992

U662

A

1006—7973（2017）10-0037-02

10.13646/j.cnki.42-1395/u.2017.10.016