过度加速度第一层与第二层薄弱性衡准一致性分析

马 坤 于开波 梅树猛

(大连理工大学船舶工程学院 大连 116024)

0 引 言

目前，国际海事组织(International Maritime Organization,IMO)正在进行第二代完整稳性衡准的制定工作.经过多年的努力，第二代完整稳性衡准中五种失效模式的薄弱性衡准草案基本完成[1]，在最新召开的SDC第4次会议中，中国代表团针对多艘集装箱船、LNG船及滚装船进行了计算，并针对初稳性高及横摇固有周期对过度加速度一、二层结果的影响进行了分析[2]；日本针对SDC第3次会议中的错误做出了修正[3]；美国对多种样船的不同载况进行了过度加速度评估，利用评估结果对过度加速度第二层薄弱性衡准的不同计算方法及结果的影响因素做了比较全面的比对[4].但从各国递交至IMO的计算数据来看，某些样船的第一层与第二层薄弱性衡准的计算结果存在不一致性，这里的不一致性是指船舶某种载况满足第一层衡准但没有通过第二层衡准校核[5].

本文基于已开发的过度加速度薄弱性衡准第一层和第二层计算程序，选取了渔政船、油船、巡逻船、海域看护船等23艘样船共69种工况进行计算，对导致一、二层结果出现不一致的载况做出分析，并对衡准值提出了建议，为过度加速度薄弱性衡准的确定提供技术支持.

1 过度加速度薄弱性衡准

1.1 第一层薄弱性衡准

如果船舶在任何装载条件下都能满足式(1)，则认为满足过度加速度第一层薄弱性衡准要求[6-7].

(1)

式中：φ为横摇幅值，rad；KL为考虑垂向加速度及首摇影响的无因次系数；g为重力加速度，9.81 m/s2；h为船员或乘客能到达的最高点至横摇轴的距离，m；Tr为横摇固有周期，s；REA1为第一层的衡准值，草案的取值方案有5.3，8.69及8.9 m/s2[8].

1.2 第二层薄弱性衡准

第二层薄弱性衡准采用概率方法对过度加速度失效模式进行计算和评价.评价指标为取值范围从0.0～1.0的长期失效概率，由各环境工况下的短期失效概率加权计算得到，即如果船舶在任何装载条件下均能满足式(2)，则认为该船满足过度加速度第二层薄弱性衡准要求.

(2)

式中：C为长期失效概率；Wi为不同波况下的权重系数，取自北大西洋波浪散布图；Ci为短期失效概率，由式(3)确定；REA2为第二层衡准值，提议的取值方案有1.1×10-4,10-3,0.028 1及0.043 m/s2.

(3)

2 样船计算结果

选取23艘样船，每船各有3种工况，共69种工况，样船包括渔政船、油船、巡逻船、看护船等，保证了样船种类的多样性；另外，样船船长范围从24～186 m，样船中小船占比较大.

根据IMO草案中的过度加速度薄弱性衡准的计算原理，使用VB语言开发出过度加速度薄弱性第一层及第二层计算程序，程序的可靠性验证见表1.

表1 程序可靠性验证

通过表2数据可以验证程序的可靠性，利用该程序对23艘样船共计69种工况进行计算，计算结果见表2.

表2 过度加速度薄弱性衡准样船计算结果汇总

续表2

3 第一层与第二层一致性分析

3.1 衡准值选取对过度加速度一致性的影响

由表2可知，若过度加速度第一层衡准值取5.3 m/s2，有30种工况不能通过；若按照衡准值为8.9或8.69 m/s2评估，则除了三艘川江油船的9种工况没有满足要求外，其他60种工况都能通过第一层薄弱性衡准.第二层衡准值取1.1×10-4m/s2时，有44种工况不能通过第二层校核；若衡准值取1.0×10-3m/s2，则有28种工况不能通过；若按照衡准值0.028 1 m/s2评估，只有五种工况不能通过；若按照衡准值0.043 m/s2评估，有三种工况不能通过校核.

从上述分析来看，选取不同的衡准值组合对过度加速度的一致性有很大的影响，但从本文样船计算数据分析，第一层衡准值若选用5.3 m/s2过于严苛，选用8.9或8.69 m/s2更为合理；第二层衡准值若选用1.1×10-4m/s2过于严苛，选用0.028 1或0.043 m/s2则过于宽松，选取1.0×10-3m/s2较为合理，因此，在本文后续分析中，第一层衡准值选为8.9 m/s2，第二层衡准值选为0.001 m/s2，将样船计算结果与衡准值整理成图1.

图1 样船一、二层结果与衡准值的比较

由图1可知，在本文的样船计算中过度加速度薄弱性衡准一、二层之间共有八艘船19种载况存在不一致的情况；另外，三艘川江油船共九种载况的一、二层评估结果异常，不符合实际情况，这三艘船属于不适用，所以可以除外.

3.2 98客位客渡船过度加速度一致性分析

由图1可知，该船三种载况通过了过度加速度第一层校核，但却未通过第二层薄弱性衡准校核，不满足一致性要求.

通过分析发现，98客位客渡船的船型为尖舭型，无舭龙骨，在过度加速度第一层薄弱性衡准的阻尼系数计算时对尖舭船型做了特殊考虑；而第二层对于阻尼的计算采用的是池田法，该方法未考虑尖舭船型，阻尼计算会偏小.

为了验证该因素是造成该船计算结果存在不一致的原因，本文将过度加速度第一层薄弱性衡准的计算程序进行修改，使其不考虑尖舭船型而进行一层校核，将计算结果与考虑尖舭船型的程序的结果进行对比，见表3.

表3 考虑尖舭与不考虑尖舭的一层结果对比 m/s2

由表3可知，一层评估方法中如果未考虑尖舭船型其校核结果也非常大，不满足衡准要求，验证了该因素是导致98客位客渡船三种载况过度加速度一、二层评估结果不一致的内在原因，因此建议IMO对第二层中的阻尼评估方法中对尖舭船型做详细考虑.

3.3 船长对过度加速度一致性影响

由图1可知，除98客位客渡船及三艘内河油船外，另有七艘样船共16种工况不满足一致性，对于船长超过80 m的样船，一、二层的一致性非常好；对于船长小于80 m的船舶，尤其对于船长小于50 m的样船，存在一、二层之间的不一致性明显.

这些船长较小的样船在实际航行中并没有发生过度加速度，从原理上分析也并没有发现其不适用性，且这些小船的一层校核均满足衡准要求，那么导致不一致性的原因可能在于目前提出的二层衡准值是由各国的样船计算结果而决定的，而各国所选取的样船大都为船长较大的船舶，对船长较小的船舶不具有参考性，因此建议根据船长分段制定二层衡准值.

从计算结果来看，第二层衡准值对船长小于80 m的船舶取值应不小于0.008 m/s2才能够保证所有样船的一致性.这里所建议的衡准值不包括三艘内河油船，对于三艘内河油船，首先其航行环境与衡准中所考虑的海况不符；其次江船宽度吃水比较大，超出过度加速度第二层薄弱性衡准的范围，本文是按照临界值计算，可能会造成阻尼的计算结果不精确，因此,认为其对衡准值的选定不具参考价值.但为了保证草案的普适性及计算的准确性，IMO需要对宽度吃水比过大的船舶的阻尼评估方法做出详细说明.

如果对于船长小于80 m船舶的第二层衡准值选为0.008 m/s2，且不考虑不适用船型的计算结果，将其二层计算结果与衡准值整理成图2.

图2 二层计算结果与建议衡准值的比较

由图2可知，所有适用样船的二层计算结果均满足了衡准的要求，通过分段制定衡准值可以解决本文样船一、二层结果不一致的问题.

4 结 论

1) 将样船计算结果与IMO草案中的衡准值进行对比，认为第一层衡准值选为8.9 m/s2，第二层衡准值选为0.001 m/s2较为合理.

2) 分析了98客位客渡船的计算结果，可以看出目前草案中的第二层薄弱性衡准在阻尼计算时未考虑尖舭船型的影响，因此建议IMO在过度加速度第二层薄弱性衡准评估中对尖舭船型做出详细说明.

3) 三艘内河油船不适用于目前提出的过度加速度草案，但为了保证草案的普适性及计算的准确性，建议IMO对宽度吃水比过大的船舶的阻尼评估方法做出详细说明.

4) 通过样船计算分析，可以看出过度加速度薄弱性衡准一、二层在船长小于80 m的样船中存在明显的不一致性，建议IMO增加小船的样船数据，根据船长分段制定衡准值，从本文的样船数据来看，对于船长小于80 m的船舶二层衡准值应不小于0.008 m/s2.