大型船舶倾斜试验程序及数据处理方法

万松林

(海军驻上海江南(造船)集团有限责任公司军事代表室，上海 201913)

船舶的初稳性高是衡量船舶稳性的重要指标，因此正确的求出初稳性高是十分重要的。在船舶设计阶段计算所得的重量和重心位置，与船舶建成后的实际重量和重心位置往往有一定差异，这种差异来自各种因素的影响，如设备技术规格的重量和重心与实际设备的偏差，建造中局部修改等引起的偏差等。因此，在船舶建成以后都要进行倾斜试验[1]，以便准确的求得重量及重心的位置，以此作为船舶重量和重心的最终数据。它不仅可以用来计算该船的稳性，而且为以后设计同类型船舶提供了可靠的参考数据。因此船舶倾斜试验的目的是确定船舶的重量和重心位置，并将试验结果整理成空船状态下的初稳性高，试验的结果要求精确可靠。

俞士将[2]阐述了船舶倾斜试验中应注意的问题。班业平[3]对某些产生较大偏离的试验结果进行仔细分析，以使倾斜试验过程合理且结果准确。董磊等[4]结合自升式平台的倾斜试验操作，对3种倾斜试验方法进行了综合比较，并根据船舶特点选择试验方法，总结了影响倾斜试验精度的几点因素。顾恩凯等[5]采用Sesam软件模拟了配重块法和悬臂梁法2种自升式平台倾斜试验方法，可为实船提供必要的参考数据和具体的试验步骤。孙承猛等[6]介绍了自升式钻井平台倾斜试验的基本原理和方法，并针对常规的悬臂梁移动产生倾覆力矩的倾斜试验方法，分析了试验过程中有关试验数据读取误差对试验结果的影响。本文将从倾斜试验原理出发，介绍倾斜试验步骤及数据处理方法，进而提出大型船舶倾斜试验改进优化方案。

1 试验原理

当船正浮于水线WL时，其排水量为D(可根据试验时的吃水由静水曲线查得)。若将船上A点处的重物p横向移动一段距离L至B点，则船将产生侧倾并浮于新的水线W1L1，如图1所示。根据载荷移动对船舶的浮态和初稳性影响的计算公式可知，此时船的横倾角φ正切为：

(1)

或将初稳性高写成：

(2)

试验状态的重心高度为：

(3)

式中：zM=zc+r为试验状态横稳心距基线的高度；zc为浮心垂向位置；r为横稳心半径。

图1 倾斜试验原理图

2 试验步骤

横倾角φ一般用图2所示的摆锤进行测量。摆锤用细绳挂在船上的O点处，下端装有水平标尺。当船横倾时，可在标尺上读出摆锤移动的距离k，则船的横倾角正切为：

(4)

式中：λ为悬挂点O至标尺的垂直距离。

为了减少测量误差，λ应尽可能取的大些。摆锤下端装有翼板并浸在油槽或水槽内，其目的是使摆锤能迅速停止摆动，便于读得精确的k值。通常在船上设置2～3个摆锤，分别装在艏部、舯部和艉部。横倾角取几个摆锤所得资料的平均值。

图2 横倾角摆锤测量图

为了提高试验结果的精确程度，应使被试验的船舶重复倾斜几次，亦即在试验时需按一定的次序将船上各组重量移动多次，每次将重物横向移动后，应计算其横倾力矩M及测量相应的横倾角φ。

倾斜试验所用的移动重物一般是生铁块，将它们分成4组或6组，堆放于甲板上的指定位置(见图3)，每组重物的重量相等。

为了形成足够的倾斜力矩，使船能产生2°～4°的横倾角，移动重物的总重量约为排水量的1%～2%，移动的距离L约为船宽的3/4。对于大型船舶，由于其排水量较大，倾斜试验时需要较大重量的压载，使用大块压铁作为重物时，其在甲板上较难移动，此时，可利用汽车吊代替压铁，由于汽车吊具有重量大、操纵灵活等特点，所以利用汽车吊的移动能有效、快速获得横倾力矩。

图3 倾斜试验压铁布置图

试验开始前，按空载或标准排水量装载状态，详细地编制缺少载荷、多余载荷的明细表，并注明这些载荷的重量和三向(纵、横、垂)坐标位置，参见表1。

表1 多余(缺少)载荷明细表

如需采用液体或固体压载物将舰船的浮态调整至满足试验条件，调整完毕须将浮态调整压载物作为多余载荷填入表1。

按空载或标准排水量装载状态，各种液体舱柜如需装载液体则应灌满，否则应予以疏干。试验时必须存在液体而又无法灌满的个别舱柜，应计算自由液面对稳性的修正值，并详细地测定各液体舱柜的装载量。测定参加试验的上舰(船)人员的重量。倾斜压载物需按组进行称重，分组后压载物上应用色漆标上分组编号，将称重结果和压载移动距离填入表2，并作为多余载荷填入表1。

表2 倾斜压载物重量及位置记录表

若采用悬锤法测量横倾角时，按照试验要求，准备好2～3套悬锤和水槽，分别安放在舰船的首、中、尾部靠近中线面的适当部位(油水槽及悬锤均作为多余载荷填入表1)，测量各悬锤线长度。

3 试验故障处理

试验时如发现缆索有绷紧现象，应立即向试验指挥员报告，缆索放松后，方可继续试验。为了保证倾斜试验测量结果的正确性，应在试验过程中同时进行偏差检查。其检查方法如图4、图5所示，图中，横坐标为试验重量移动力矩，纵坐标为横倾角的正切，在各点中间画1根检查直线。若有交点偏离检查线超出4%时，应立即查找原因，并根据实际情况确定全部或部分试验重作。

图4 4组移动压载偏差检查示意图

图5 6组移动压载偏差检查示意图

4 静水横摇周期的推导

船舶在静水中无阻尼横摇时，任一瞬时作用于船体上对GM轴的力矩之和为0：

(5)

(6)

自由横摇方程可以写成：

(7)

解为：φ=φ0cosnφt。

图6表征了横摇角随时间的变化规律。

图6 横摇角随时间的变化规律图

由横摇微分方程的解及上图可知：

(8)

式中：nφ定义为自由横摇圆频率；Tφ为横摇固有周期。

(9)

(10)

工程上常将上式简化为：

(11)

式中：C为静水自由横摇系数。

5 结束语

本文基于倾斜试验原理，对大型船舶倾斜试验程序及数据处理方法进行了研究，根据本文的研究可以得到如下结论：

1)对于大型船舶，使用汽车吊代替压铁能有效、快速获得横倾力矩。

2)使用初稳性高计算静水横摇周期代替横摇周期的直接测量能提高结果精度、改善试验效益。

3)为了保证倾斜试验测量结果的正确性，应在试验过程中同时进行偏差检查。