基于MAXSURF软件的中型邮船大倾角稳性校核

邵朱芸, 童曙康, 柏逸超, 吴子丞

(上海海事大学 海洋科学与工程学院，上海 201306)

0 引 言

近年来，邮船业在旅游行业中出现较大增长，2019年全球邮船乘客超过3 000万人次。由于长期受到欧洲国家的技术封锁，因此我国在邮船的创新设计与高端建造技术方面仍存在许多短板。根据国际船舶网相关报道，2020年12月29日招商局集团自主研发的52 000 t中型邮船设计方案通过英国劳氏船级社的原则性认可，为后续中型邮船研究和交付奠定坚实的基础，体现邮船总体设计具有一定的自我设计能力，为我国实现国产化的高端邮船迈出重要的一步。

根据国际船舶网相关报道，2013年美国Reuben Lasker号渔业调查船在威斯康星州码头采用滑道下水时船身侧向翻倒，船体受到严重损坏并出现人员受伤。2014年韩国世越号客船在航行中倾翻并沉没，沉船报告提及船体缺乏稳性是其沉没的最大原因。2016年印度海军的贝特瓦号导弹护卫舰在孟买港驶出船坞时倾覆。船舶航行安全问题牵涉浮性和稳性等多重动态，并与船舶静力学、船舶建造和船舶原理等学科息息相关。

黄武刚[1]根据时域模拟得到船舶参数共振和纯稳性的丧失原理。陈明敏等[2]采用MAXSURF软件分析船舶大倾角稳性，并采用油船实例分析比较软件与实际之间的计算误差值，有力证明将MAXSURF软件用于计算船舶大倾角稳性具有由实际数据支撑的可行性。张棘[3]通过对实船初稳心进行计算，提出甲板上浪水静态化处理模型和按装货计算其对船舶稳性影响的方法。王永功等[4]分析对比采用谱分析和时域分析两种方法的风浪联合作用下的波浪稳性，进行两种方法预报结果对比。张志敏等[5]针对大型船舶的稳性校核和控制问题，分别从风浪环境作用力、船舶运动模型和船体稳性恢复力矩建模方面进行研究。

以52 000 t中型维京邮船(简称“维京邮船”)为研究对象，采用MAXSURF软件对中型邮船大倾角稳性进行校核。

1 中型邮船稳性理论

1.1 稳性指标

维京邮船的浮态和稳性均需要满足英国劳氏船级社的规范要求。根据《2008年国际完整稳性规则》(IS Code 2008)对船舶稳性的要求，对其完整稳性进行判定[6]。

1.2 质心计算

数据计算时的质心定义：纵坐标原点位于0号肋位，以艏部方向为正；横坐标原点位于船体中心线，以左舷方向为正；垂向坐标原点位于基线，以向上方向为正。维京邮船数据计算时的质心定义如图1所示。

图1 维京邮船数据计算时的质心定义

维京邮船空船质量根据实际3类质量(船体钢料质量、木作舾装质量、机电设备质量)进行计算，其他质量可根据实时更改或规范要求进行修改。

中型邮船空船质量为

(1)

WLW=Wh+Wf+Wm

(2)

式(1)和式(2)中：Wsa为船舶总质量；WLW为空船质量；Wi为船舶载重量；Wh为船体钢料质量；Wf为木作舾装质量；Wm为机电设备质量。

中型邮船质心坐标为

(3)

2 基于MAXSURF软件的维京邮船大倾角稳性校核

2.1 船舶相关信息

采用MAXSURF软件对维京邮船进行稳性数值模拟计算，并对计算结果进行分析。维京邮船主尺度如表1所示。

表1 维京邮船主尺度 m

维京邮船空船质量清单如表2所示。根据船舶所有人要求，对计算得到的空船质量和质心以6.0%的修正值进行修正。

表2 维京邮船空船质量清单

2.2 大倾角稳性数据

计算工况分为2类3种：第1类为平浪，工况1，较安全；第2类为正弦浪，波长为垂线间长204.900 m，波高为8.689 m，较危险，工况2为波谷位于船中，工况3为波峰位于船中。

选取横倾角为-5°～60°的维京邮船的复原力臂、复原力臂曲线下的面积、纵倾(艏倾为正、艉倾为负)、形状稳性力臂和横倾吃水等数据进行计算。

2.2.1 工况1大倾角稳性校核

工况1大倾角稳性数据如表3所示。

表3 工况1大倾角稳性数据

工况1稳性曲线如图2所示。由工况1稳性曲线得到：在横倾角为0°时，横稳心高为3.312 m；在横倾角为26.8°时，出现最大复原力臂为 1.029 m。

图2 工况1稳性曲线

2.2.2 工况2大倾角稳性校核

工况2大倾角稳性数据如表4所示。

表4 工况2大倾角稳性数据

工况2稳性曲线如图3所示。由工况2稳性曲线得到：在横倾角为0°时，横稳心高为5.420 m；在横倾角为25.5°时，出现最大复原力臂为1.479 m。

图3 工况2稳性曲线

2.2.3 工况3大倾角稳性校核

工况3大倾角稳性数据如表5所示。

表5 工况3大倾角稳性数据

工况3稳性曲线如图4所示。由工况3稳性曲线得到：在横倾角为0°时，横稳心高为0.886 m；在横倾角为38.2°时，出现最大复原力臂为0.589 m。

图4 工况3稳性曲线

2.3 大倾角稳性校核结论

校核内容如表6所示，可判定维京邮船稳性满足规范要求。

表6 稳性校核内容

3 波浪对维京邮船稳性的影响

为清晰体现维京邮船在规则波中的复原力矩规律，对波长船长比和波高进行变量分析。

3.1 波长船长比对稳性的影响

在波高均为8.000 m的情况下，分别计算在波长为102.500 m、205.000 m、307.500 m和410.000 m时所对应的复原力矩随波长船长比的变化。复原力矩随波长船长比的变化如图5所示。由图5可知：在工况2和工况3条件下，复原力矩随波高的变化趋势一致，均为上升-达到峰值-下降；在工况3条件下，且在波长等于船长时，复原力矩明显下降。

图5 复原力矩随波长船长比的变化

3.2 波高对稳性的影响

在波长船长比为1.0的情况下，分别计算在波高为4.000 m、6.000 m、8.000 m、10.000 m和12.000 m时所对应的复原力矩随波高的变化。工况2复原力矩随波高变化如图6所示。由图6可知：在工况2和工况3条件下，复原力矩随波高的变化趋势一致，均为上升-达到峰值-下降；工况2条件下的复原力矩达到峰值的横倾角小于工况3条件下的复原力矩。

图6 复原力矩随波高的变化

3.3 在规则波中的复原力矩

采用MAXSURF软件分别计算设定的3种工况条件下的大倾角稳性，根据维京邮船实际采用的稳性规范，判断每种工况条件下的稳性均可满足要求。考虑波浪对维京邮船稳性的影响，通过改变波长船长比和波高两个参数，绘制在工况2和工况3条件下波浪对稳性的影响曲线。通过寻找复原力矩在波浪变化下的规律，证实在工况3条件下，且在波长等于船长时，复原力臂最小，维京邮船稳性处于最危险的状态。

4 结 语

对于中型邮船，在设计初期随空船质量和质心的变化，可得到不同质量下的稳性数据；在确定空船质量和质心后添加不同的压载质量，通过MAXSURF软件直接计算，可得到不同工况条件下的质量和质心。分别在工况1、工况2和工况3条件下进行大倾角稳性校核，并绘制波浪对稳性的影响曲线，得到波浪对稳性的影响规律，证明维京邮船稳性满足规范要求。.