渔船穏性校核研究【文献综述】.doc

1、 1 毕业设计文献综述 船舶与海洋工程 渔船穏性校核研究 引言 本人毕业设计的论题为渔船的穏性校核，由于渔船所遭受的气象、海况条件比较恶劣 , 海难事故不断发生。国际海事组织 （ IMO） 收集的关于各类船舶意外事件的统计数据表明 , 倾复失事的船舶大多数是长度不超过 100米的小船 , 其中一半左右是渔船。 渔船作为小型船舶，常年在海上进行捕捞作业，所遇的气象海况条件要比其他普通船舶恶劣得多，此外，进行捕捞作业的原因，船应取得航向和航速常常受到限制，有时不得不处于不利的风向和波向上，而且海上装载情况多变，穏性事故较多，故对 于与船的穏性研究具有一定的现实意义，能更好的保证渔船海上作业的安全性

2、。 正文 一 . 渔船完整穏性的研究 完整稳性即船舶未破损状态下的稳性。回顾其研究历史 ,早期人们集中于船舶各种静稳性参数的研究 ,如初稳性高度、复原力臂曲线的特征值等 ;研究方式是通过统计各类海损事故船舶的静稳性参数 ,提出相应的界限 ,作为控制船舶稳性的判据 ,如 IMO A167 决议 ,至今这些判据仍是各种稳性规则的主要内容之一。随着船舶在波浪中运动计算方法及模型试验技术的发展 ,联系船舶在波浪中运动的动稳性判据也逐步增加到各种稳性规则中 ,但由于合理动稳性的 判据涉及船舶在极值海况中的运动计算 ,涉及很多非线性问题难于解决 ,故后期的研究工作主要集中在这个方面。 1. 1 船舶在恶劣

3、海况中倾覆的主要模式 早期的研究工作重点放在船舶在横风、横浪中的倾覆模式研究 ,即假定船舶无航速、处于横浪谐摇状态 ,同时受横风 (定常风及阵风 ) 作用 ,通过计算横摇角及风对船舶的作用力来判断船舶能否承受各种海况中风浪的作用。如 IMO A. 562 决议中的气象衡准就是采用这种模式制定的。这个衡准已得到广泛的应用 ,在保证常规船舶完整稳性方面是有效的。但仔细分析 ,这种衡准还有一定的局限性。通过 对一些船舶倾覆事故的分析及关于船舶倾覆事故的模拟试验 ,发现符合 IMO 完整稳性衡准的船舶仍会发生倾覆事故 ,但不是在横浪中 ,而是在船舶处于随浪及尾斜浪航行状态。从而提出了关于船舶倾覆模式的

4、研究 ,并进行了大量的模拟试验及数值计算分析。 目前 ,主要集中在下列三种模式 : 2 (1) 静稳性损失 静稳性损失指船舶处于波峰状态时的复原力臂减少 ,常发生于以低遭遇频率航行于随浪及尾斜浪 中的船舶。尤其是随浪航行时 ,船速接近波速 ,船长接近波长 ,波峰处于船中时 ,复原力臂会在一定时间 中减少 (甚至为负值 ) ,若受到波浪或其它横向力的 作用 ,会导致船舶倾覆。这种模式已被大家接受 ,并 提出了各种计算复原力臂减少的计算方法 ,但如何合理应用到稳性规则中 ,有待进一步探讨。 (2) 动稳性损失 动稳性损失是指船舶处于极值横摇状态的复原能力减少所产生的动稳性损失。这种模式中倾覆的 船

5、舶有下列现象 : 尾斜浪中大幅度横摇 以一定速度航行于尾斜浪中的船舶会有六自由度的耦合运动 ,其中横摇、纵荡、横荡、首摇会大幅度 变化。当船舶剧烈横摇到下风侧时 ,波峰处于船中 ,再反向横摇至上风侧时船中处于波谷。由于耦合纵 荡运动 ,使船舶在波峰中的时间大于在波谷中的时间 ,且导 致复原力在一个横摇周期中不对称地减少及恢复 ,使横摇运动逐渐发展到危险状态 ,甚至倾覆 ,一般向下风侧倾覆。 参数激励 航行于纵向波浪中的船舶 ,由于波峰和波谷反复通过船舶 ,在波长接近于船长时 ,会导致复原力臂值周期性变化 ,当波峰通过船中时 ,会引起大幅度横摇运动。横摇常发生于波浪遭遇周期等于船舶自摇周期或 2

6、 倍于自摇周期情况。这种参数激励 (又称低周谐摇 ) 现象在尾斜浪航行状态很危险 ,会导致船舶倾覆。在迎浪航行中亦观察到大幅度横摇现象 ,这种现象已被模拟试验及数值计算所证实 ,提出了各种数值计算方法。 冲击激励 陡的破 碎波对船舷的冲击 ,会影响到船舶动力状态 ,引起船舶剧烈横摇 ,甚至吞没船舶 ,常发生于波浪中航行的小船。这种现象不包括因冲击而产生的甲板室损害及进水的影响。 分叉 船舶在波浪中的横摇响应 ,在同一波浪频率下 ,会从一个小幅度的横摇稳定状态跳跃到另一个大幅 度的横摇稳定状态。目前仅局限于规则波研究。经分析 ,在具有窄谱的不规则波中亦会出现这种情况。 转首 转首是指波浪中航行的

7、船舶 ,由于波浪扰动引起的首向角大幅度变化 ,并转向横浪的现象。如处于骑浪状态的船舶受到横向力作用而突然转向到横浪状态 ,将是很危险的。 (3) 其它 上述的倾覆模式中 ,同时发生甲板上浪。大幅度相对运动及破碎波导致的甲板浸水、液体自由表面效应及水的晃动。大幅度横摇运动及高加速度引起的货物移动 ,有时是很致命的因素。 1. 2 船舶完整稳性的数值模拟技术 3 上述的船舶倾覆模式大都已被物理模型试验所证实 ,尤其是近年来进行的摇控自航模在天然风浪中或在试验水池试验 ,并分析了导致倾覆的各种因素。也有的是在数值模拟计算中发现 ,再经物模试验证实的。为了系统分析船舶倾覆机理 ,应用各种数值模拟方法

8、,尤其是涉及倾覆数学模型的非线性处理方面 ,进行了大量工作。 目前采用的计算数学 模型大多采用六自由度的船舶运动方程 ,也有采用四自由度运动方程。方程中除考虑耐波性计算中有关的水动力项及波浪扰动力外 ,同时考虑操纵、推进、阻力等各种因素 ,更能完善地进行船舶倾覆过程模拟及分析各种影响倾覆的主要因素。 目前采用的数值模拟方法有 : (1) 混合时域法 该法在水动力系数处理方面 ,主要采用线性模型 ,再附加影响研究倾覆必不可少的非线性项。 (2) 非线性时域法 该法向考虑所有的非线性项方向发展 ,目前已实际应用的是非线性二维势流理论 (不考虑航速 ) 或高阶势流理论 (考虑航速方面 ) 等。 (3

9、) 非线性系统动 力学 通过求解给定初始条件的非线性方程 ,直接估算倾覆的临界状态。对于横浪 ,重点放在混沌关系 ;对于尾斜浪状态 ,主要考虑转首现象。 (4) 直接概率估算 常用的方法有 :相平面法 ,马尔可夫过程理论 ,用于估算船舶在不规则海浪中的倾覆概率。上述两种非线性时域模拟技术中 ,利用 CFD 模型来估算甲板上浪的动力。 二 . 破舱穏性的研究 过去 ,由于船舶破损后的进水过程及破损船舶在海浪中的倾覆现象极为复杂 ,难于通过建立合适的数 学模型及模型试验来分析 ,关于破舱稳性的研究很少 ,只在 1960 年 SOLAS 公约中提出了剩余稳性标准 (GM = 0. 05m) 。但发生

10、导致大量人员生命财产损失的灾难事故后 ,引起了人们的高度重视 ,相继提出了 基于确定性及概率方法的船舶破舱稳性国际规则。以后又因 RO2RO 船的一系列事故 ,又针对 RO2RO 船 的甲板上浪问题 ,提出了新的稳性要求 ,主要是 SO2LAS 90 以及 Stockholm 条约。这些都是目前船舶设 计的主要依据。严格说 ,这些规则都缺乏相应的理论及试验依据 ,有一定局限性。为此 ,近年来进行了大 量的模型试验及数值模拟计算工作。 2. 1 模型试验 近年来 ,在 SOLAS 90 及 IMO214 决议提出模型试验方法以来 ,国际上进行了大量试验。试验都是针对破损事故船舶进行的。主要研究内

11、容有 :破舱船舶的抗倾覆能力 ,影响舷侧碰撞破损的主要因素 ,影响破损4 稳性的内部舱壁结构形式等。对于 RO2RO 船进行的重点研究内容是 :船舶破损后在海浪中的运动 ,甲板上浪的水量、水深及破损位置的相对运动等 ,以及破损开口形状对进水速率的影响 ,波浪参数的影响等。其中值得提到的一个重要试验结果是 ,提出了破舱 RO2RO 船甲板上水的临界高度 h 与有义波高 HS 的关系 , 又联系干舷提出了 h 与 HS 的修正关系。 h 比例于 H(0. 97 + 0. 46 F)S 这个关系式提供了估计随机海浪中破损客滚船倾覆界限的直接方法。 2. 2 数值模拟技术分析 破损船舶的动力性能及进水

12、过程是一个高非线性的变化动力系统 ,必须使用时域模拟方法。且前面关于破损船舶动力性能的研究包括下列方面 : 破损船舶动力模型 采用非线性的六自由度耐波性模型 ,能同时考虑漂移以及质量、质心、平均姿态、环境扰动等随时变化的因素。 水进入及流出模型 应考虑在恶劣海况中多个分舱进水及水的晃动因素 ,从而能研究对破损残存能力的影响。 进水与船舶运动间的相互影响 破损后船舶 进水及船舶运动是两个密切相关的问题 ,进水影响运 动 ,运动影响进水 ,应建立相应的数学模型进行研究。 关于进水过程的模拟 ,目前主要在于破损开口形状的研究分析。进水的影响采用准静态方法 ,即假定水表面水平 ,进水的影响取决于进水量

13、的相对大小、内部水深、谐摇、进水与整个船舶动力相互影响产生的附加效应。 三 . 渔船在风浪中穏性的研究 渔船在风浪中作业 , 丧失稳性发生的倾复现象比其他船舶严重得多 ! 如日本在 1969-1973年五年间 , 渔船全损事故在各类船舶中是最多的 , 而倾复事故占渔船的遇险 （ 包括搁浅、碰撞、火灾、漏水、主机故障等等 ） 事故的百分比有的年份竟高达近 8%,其他国家也有类似情况 !从海损统计表可明显地看出发生海损事故的船 , 其中大多数是船长在 70m。以下 ,特别是渔船 ,事故更为明显。这根据船舶倾侧力矩与相似原理可以得出 , 若大船与小船遭遇同样的浪级 ,则： 2= 1 式中 , 2一小

14、船的动倾角 ； 1一大船的动倾角 ； 入一大船与小船的尺度比 。 如大船与小船尺度比入为 2 , 则船在受横浪作用时 , 2=2 1 , 即小船的动倾角为大船 的 2 倍。 若大船与小船遭遇同样的风级 , 则 5 如大船与小船尺度比入为 2,则受同样突风作用， 2=,1.4 1， 即小船动倾角为大船的 1.4倍， 因此 , 船长在 70m 以下的这类小型船 , 就必然在风浪中具有较大的危险性 , 小型渔船则由于 经常在风浪中作业 , 则就具有更大的危险性。 早在 20世纪初就开始研究渔船的稳性 ， 并已取得了一些成绩 , 但都不够成熟 , 特别从防止海难的角度出发 , 重视小型船舶及渔船稳性研

15、究必将成为主要的研究课题。 目前对渔船稳性进行研究的途径大致可分成三种： 一是继续运用传统的稳性理论来修正稳性规范 ； 二是探索随浪与尾斜浪对稳性的影响 , 目的是想确定在风浪作用下扶正力臂的减额公式 ,从而进行了一些渔船船模的稳性试验 ； 三是设法将船的稳性状态与船舶运动方程式联系起来 , 目的是想建立一种在确定的或在随机的情况下稳性的估算方法 。 但这种方法的难处在于数学方程式或数学模型的建立。如数学模型的正确性欠佳 , 其计算结果则不可能与实际情况相符 。 严格地说 , 上述三种研究途径应尽可 能地综合起来运用 ,从而能更全面地对渔船稳性进行研究。 一些海洋渔业发达的国家为了研究渔船的稳

16、性 , 进行了一些船模试验。显然 , 认真地回顾一下这些试验 ,对于了解与掌握渔船丧失稳性的机理是有益的 。 （ 1） 英国的渔船结冰船模试验 在 20世纪 50年代中期 , 英国船舶研究协会 （ BSRA） 就拖网渔船结冰现象对稳性的影响进行了船模试验 , 试验结果表明船首在正迎风状态下 , 最大结冰量为排水量的 13% 以上 , 导致 GM值下降 0.43M左右 , 并由于干舷减小 , 稳距也随之变小 , 此时 , 即使在首部有很微弱的风也足以使船倾复 。 首迎风角为 30 时 , 上风舷结冰量大增 , 并使船向上风向倾斜 ,结果是结冰量仅在不到首正迎风状态的一半 ,船就倾复了。 尾正迎风

17、状态下 ,GM的减少量为首迎风状态的一半左右。 通过这个试验 , 表明渔船在寒冷季节作业时 , 结冰对稳性的影响不容忽视 , 而且应该尽量减少首部索具 。 该试验还表明三脚桅较之一般桅在首迎风结冰情况下 , 船的重心上升量是较小的。 实际上 , 通过海上实测 , 也发现结冰现象对稳性有显著影响 , 甚至不得不停止捕捞作业来消除结冰 。 （ 2） 英国的渔船横浪船模试验 英国国家物理实验所 （ NPL）于 1970年进行了渔船横浪船模试验 , 试验的船模相当于柱间长为 54.86m，GM分别为 0.38与 0.5M的拖网渔船 ! 试验表明 , 当排水量增加 , 干舷减少时 ,在相当于风力为蒲氏

18、6 级的海况下 ,为了使渔船能安全脱离危险 , 必须增加稳性高度 GM值。并认为 ,倘若波浪冲击力、风力以及甲板上浪等几种因素同时作用 , 船在横浪中会陷于倾复。该试验得出干舷越低 , 越需要增加 GM值的结论 ! （ 3） 波兰的渔船在非规则波中的船模横浪试脸 6 波兰则作了两艘渔船在非规则波中的横浪中的试验。对两种干舷、舷墙的有无、排水口的开闭以及甲板室长短等 的影响作了研究。试验结果表明 , 当波浪周期与长甲板室船体升沉运动周期同步时 , 船因海水涌入而向来波方向一侧倾复。当为短甲板室情况 , 在下风舷出现定倾斜 ,如波浪周期小于船升沉运动固有周期 （ 自摇周期 ） , 则向下风舷倾复

19、! 反之 , 向上风舷倾复 。 而且发现 , 干舷越小 ,越在低波高情况下出现大倾斜 , 在稳性欠佳的情况下 , 只要受到有限几次的波浪冲击即可导致倾复。 （ 4） 日本的自航船模倾砚试验 日本在北海道的大沼湖中进行过自航船模倾复试验 , 试验表明： 渔船在顺浪以及尾斜浪中航行时 , 倾复可能性最大。 渔船的倾复 机理至少有三种： a.稳性不足 , 又有大量海水打上甲板 , 此时最易倾复； b.尾斜浪航行中 , 船连续受陡浪冲击 , 当第一大浪大量打上甲板时。后续第二大浪就会使船倾复 ； c.在顺浪航行时 , 船因大 量 海水打上甲板而倾斜 , 当船肿处于波峰时 ,船因丧失稳性而倾复 。 图为

20、日本渔船船模尾斜浪航行中倾复情况的记录 。 从上述的一些船模试验并结合一些倾复的事例来看 ,渔船倾覆现象的出现一般是在风浪中发 生的 , 此时船与浪的相对位置有以下几种可能 , 即 ： （ 1） 横浪； （ 2） 顺浪； （ 3） 尾斜浪。 横浪 就横浪情况而言 , 可能有下列三种方式使船倾复 , 即： 1. 阵风中突然倾复 , 这种情况大多发生于稳性本来就弱的渔船 ,或者虽然本来稳性状态较好 ,但由于结构的原因装载不当 , 导致重心过高就会发生这种情况。 2. 因为上浪 , 甲板上流动着大量的积水 , 造成附加倾侧力矩导致倾复；或者由于甲板积水导致渔船在一倾斜角下平 衡而发生非对称性横摇 ,

21、 若再加上阵风作用 , 可能导致倾复 。 这种情况在不规则波中易于出7 现 。 3. 在碎浪中航行 , 在阵风作用下倾复。这往往发生于小型渔船航行于浅水浪中 , 若陡峭的浅水碎浪对着船舷袭来 , 则易于产生较大倾斜角下的非对称横摇 , 再加上阵风作用或上浪后再加上阵风作用 ,倾复的可能性也随之出现。 顺浪 就顺浪情况而言 , 若船略带横摇航行 , 顺浪中的波峰处于肿并使甲板淹浸 , 则稳性就会基本丧失并随之倾复 ； 或者是顺浪中波峰处于肿 , 稳性突然变差 , 并产生大幅度横倾 , 波幅离开肿部后 ,稳性增加 ,船突然恢复正位 并向另一舷摇去 ,待第二个波浪到来 ,稳性再度下降 , 横倾随之增

22、加 , 待波峰运动至肿部 , 船就可能继续横倾而产生倾复。 尾斜浪 就尾斜浪而言 , 船体在浪中的浮力产生倾斜力矩 Mh使其丧失稳性 , 见图 2 , 同时可能 出现“ 横甩” 随之有可能倾复 , 如图 3 所示的船模 A倾复情况。 当然 , 上述情况也不是绝对的 , 如前述的英国的两种小型拖网渔船船模试验 , 海况相同 , 船 模 A倾复 , 而船模 B就未倾复 ! 显然 ,大的 GM以及大的静稳性曲线下的面积与稳距是起作用 的。 图 2 8 图 3 总结 总之在海洋捕捞业快速发展的今天。如何做好渔船的穏性校核保证船舶的安全使用，是我们很多船舶企业所关心的问题。 稳性是确保船舶及各种海上浮体

23、安全航行及作业的主要性能之一 ,目前世界各国都制定了相应的规则 ,作为船舶设计或航行中判断稳性的主要依据。但严格地说 ,这些规则的制定在理论上是不严谨的 ,有不少需进一步完善之处。主要在于船舶及 海上浮体在恶劣海况下发生大幅度摇荡运动而导致的倾覆现象极为复杂 ,人们对其倾覆机理的认识有一定局限性 ,加上新船型的发展以及新的海损事故发生 ,提出了很多新课题。因此关于稳性的研究一直是船舶力学研究的热点，渔船又有其特殊性，对穏性的要求更加严格。 9 参考文献 【 1】大连水产大学 朱瑞源 渔船在风浪中的穏性 【 2】 上海交通大学 冯铁城 陶尧森 渔船穏性研究 【 3】 武汉理工大学交通学院 董元胜 船舶性能核算的发展趋势 【 4】 上海船舶运输科学研究所 高家镛 船舶稳性研究的现状及展望 【 5】 中远集团公司 杨绘生 对船舶穏性的再认识