1、毕业设计文献综述 船舶与海洋工程 非对称双体船稳性计算 一、引言 在经济高速发展，全球合作日益加快的年代，海上运输已成为如今国家间的主要运输手段。在海运方面，为了进一步保障海上人生安全和防止造成环境污染，国际公约和规则、政府制定的法规以及船级社建造规范都有了许多更新和改善。再加上如今层出不穷的船型设计以及载货需求，这些都对船舶稳性提出了更高更新的要求。 近年来，多体船一直广受人们的关注，在有关船舶的期刊上也能屡屡见到有关多体船研究的报告。然而不管是单体船还是多体船，它们都是属于对称型的船体。而所谓非 对称船型是相对于传统的对称船型而言的，它是指船体在设计水线下横剖面形成不对称形状的船型。单体船
2、和双体船甚至多体船都可能出现不对称船型。不对称双体船概念的提出为研究与解决日益复杂的航行海况要求开拓了心思路，这种船型具备了单体船和双体船的许多优点。虽然它的阻力性能不然对称型的，但是非对称高速双体船能减缓横摇。同时该船型具有优良的适航性、良好的稳性、甲板面积大、易于平行停靠码头等诸多优势。然而，虽然目前已经造出了很多的不对称船型的游艇 1，例如 2003 年由中国烟台莱佛士船厂制造完成的一艘名为亚洲女士号的大型游艇 。但是对于非对称船型的理论研究却是寥寥无几。而本文又是在多体船完整稳性计算的基础上，根据文献 2的基本原理来研究非对称双体船的。为了研究方便，我们只是研究和分析非对称双体船型的完
3、整稳性，并不考虑主侧体之间位置变化而带来的稳性的变化。 船舶稳性是指 船舶在外力作用下偏离其平衡位置而倾斜，当外力消失后，能自行回复到原来平衡位置的能力。它的研究是船舶行业中一个非常重要、非常复杂的课题 。 船舶稳性是船舶最重要的性能之一 ,是船舶航行安全的基本保障 ,也是船舶检验的主要内容之一。因此，很有必要对这种新船型进行稳性的研究 。 由于水线下船体横剖面的不对称性，传统的计算船舶初稳性的公式将不再完全适用于不对称船体，所以应该重新推导适用于非对称双体船的初稳性计算公式。由于初稳性计算公式前人已经进行过推导，因此，本文将在它的基础上详细计算验证此公式的可行性。而对于非对称双体船的大倾角稳
4、性我们只能根据静力学的有关知识进行分析研究 。不对称双体船在外力的作用下产生倾斜以后，水下部分体积的形状发生了变化，即体积型心（浮心）发生了变化，它向倾斜的一侧发生了移动。因此在讨论稳性问题时，首先需要确定倾斜水线的位置，找出浮力作用线，然后才能分析复原 力矩的大小和方向。 二、本课题研究的背景及意义 船舶静止漂浮于水面某一位置时，受到两个作用力，其大小相等方向相反，而且两者的作用点在同一铅垂线上，这时船舶处于平衡状态。但是船舶在海上航行时，经常受到风浪等各种外力的干扰，使其产生倾斜，这样就破坏了原来正浮时的平衡状态。船舶在受到外力干扰产生倾斜后会不会翻转？当外力消失后船舶会不会回复到原来的平
5、衡位置？这就是船舶的稳性问题。因此船舶航行时必须满足一定的稳性要求。王元禹在文献 3一文中提到稳性是船舶最基本的航行性能之一，它直接影响着船舶航行的安全 ,也是船舶检验 的主要内容之一。 有没有足够的稳性，同时也决定了这艘船舶能否通过船检而投入运盈。 船舶在任何方向的倾斜，可分成如下两种基本浮态：船舶的横向倾斜，即向左舷或右舷一侧的倾斜（简称横倾）；纵向的倾斜，即向船首或船尾的倾斜（简称纵倾）。倾斜力矩的作用平面平行于中横剖面是称为横倾力矩，它使船舶产生横倾。倾斜力矩的作用平面平行于中纵剖面部时称为纵倾力矩，它使船舶产生纵倾。假若倾斜力矩的作用是从零开始逐渐增加，使船舶倾斜时的角速度很小，可忽
6、略不计，则这种倾斜下的稳性称为静稳性。若倾斜力矩是突然作用在船上，是船舶倾斜有明显的 角速度的变化，则这种倾斜下的稳性称为动稳性。研究船舶的横向和纵向抵抗倾斜的能力，分别称为横稳性和纵稳性。 造成船舶离开原来平衡位置的是倾斜力矩，它可由风和浪的作用、船上货物的移动、旅客集中于某一舷侧、拖船的急牵、火炮的发射以及船舶回转等所产生，其大小取决于这些外界条件。促使船舶回复到原来平衡位置的是复原力矩，其大小取决于排水量、重心高度及浮心移动的距离等因素。因此，在倾斜力距和复原力矩这一对矛盾中，前者是外因，后者是内因。 对于常规船舶而言，纵向稳性对船舶的安全性能影响很小，而且发生倾斜的角度也很小，然而对
7、于小水线面双体船在高速时容易失去纵向运动稳定性的问题，文献 4也已经通过数学分析和程序设计对安装鳍的设计方案进行过研究。因此考虑稳性问题时常规船舶基本上都只要考虑横向稳定性。而横向稳性又可分为初稳性和大倾角稳性。初稳性（或称小倾角稳性）一般是指倾斜角度小于10 15或上甲板边缘开始入水前的稳性。大倾角稳性一般指倾角大于10 15或上甲板边缘开始入水后的稳性。把稳性划分为上述两部分的原因是，在研究船舶小倾角时可以引入某些假定，既使浮态的计算简化，又能较明确地获得影响初稳性的各种因素之间的规律。而大倾 角稳性一般只在倾斜时产生。 对于单体船舶，初稳性和大倾角稳性的研究基本上都趋于成熟化。比如 刘烽
8、杰在文献 5一文中综述了近年来船舶完整稳性及破舱稳性的研究概况，介绍了我国规范对船舶稳性的具体要求，讨论了改善船舶完整稳性的主要措施：（ 1）初稳性高度要选择合适的上下限范围，下限是出于安全性、上限是考虑横摇的缓和性。（ 2）稳性横准数。稳性横准数是规范对船舶稳性的重要基本要求之一。稳性横准数大于 1 表示了风压倾侧力臂小于船舶倾侧所必须的最小倾侧力臂，所以船舶不至于颠覆。（ 3）增加船宽。（ 4）降低重心高度。（ 5）增大进 水角。李子富 ,杨盐生 ,杜嘉立 在文献 6一文对静水中船舶大倾角横摇稳性的特点进行了介绍，并根据已有大倾角稳性计算方法的基础上提出了一种新的计算船舶发生大倾角横摇时的
9、静稳性力臂的计算方法。再运用逐步逼近法计算每个横剖面的左右侧的浸深时，考虑了在横摇过程中由于船舶首尾不对称造成的纵倾对每个横剖面浸深的影响，然后根据重力和浮力平衡、纵倾力矩之后为零这两个条件，运用Matlab 数学工具语言的迭代算法求出了纵倾角，以及水线面修正层厚度，进而绘出了静稳性力臂曲线，最后，通过实例计算与分析验证了其方法的可行性。由于近几年 船舶在大风浪中沉没的事故频频发生，由中小型船舶扩展到大型船舶，刘光明、侯建军、杨宝璋、佟宝德在 文献 7中列举了导致船舶在大风浪中沉没的诸多因素，概括出了四中模式：大型船舶浪沉模式，较大型船浪沉模式，中型船舶的浪沉模式和小型船舶的浪沉模式。并分析了
10、每一种模式导致船舶沉没的原因。然后提出了在风浪中完整稳性的估算方法，便以可能出现的最大横摇角和进水角相比较，确定船舶是否在安全范围。 佟德敏在 文献 8表示在船舶设计中，对于大倾角稳性的计算，用静稳性曲线或动稳性曲线计算最小倾覆力臂既繁琐又欠精确。再加上要绘出较长一 段静稳性曲线，因此，需要量取许多不同倾斜角度时的型值进行计算，然后再绘制出较多条不同倾斜角度的稳性横截曲线，这样要花费不少的时间和精力。为了计算的简便，他在自己的工作实践中推导出来的计算公式可使稳性计算量大大减少，经过对数条船舶稳性校核，他表示计算出来的最小倾覆力臂值或最小倾覆力矩值要比格子法计算出来的结果更精确、可靠。同时还表示
11、如果编程用计算机计算，那么计算速度又会得到很大的提升。随着经济的和重工业的发展，全球合作日益密切的今天，重大件货物运输业也得到了长足的发展。为了保证这类船舶在海上航行的安全性，赵明 秋和季凯朋在文献 9中分析了重大件货物船舶浮态和稳性中的各项关键参数，通过计算公式和举例验证，使得我们更有效的监管和服务载运重大件货物的船舶。这些研究分别为造船人员，航运人员和设计人员提供了造船依据、装载营运依据和简便的计算 。 然而，对于多体船的研究特别是非对称多体船的研究 10，就显得非常的稀少。可以这么说，对于非对称船型的研究才刚刚起步。因此，在这方面的研究就显得非常有参考价值。马强在文献 11为我们阐述了多
12、体船的侧体在遭到破坏的情况下，侧体参数对多体船破舱稳性的影响。并具体以一艘多体船为例，进行 破舱稳性计算，具体讨论分析侧体参数对破舱稳性的影响。如侧体中心与主船体中心之间的距离大小，侧体中心和主船体中心纵向距离的大小等等。李培勇等人在文献12一文为我们分析了侧体跨距、排水量等参数对静稳性臂的影响以及静稳性曲线的特征，并通过实船的计算和比较，更形象的为我们描述出来了多体船完整稳性的特点。文献 13是在三体船的基础上为我们推导出了五体船的大倾角稳性公式。并分析了几种情况下的简化公式，通过实例的分析并与三体船进行比较，向我们阐述了五体船与三体船的区别以及影响五体船大倾角稳性的因素。 对于双体船，人
13、们的认识要比其他多体船来的更加深刻。双体船属于排水量船型，以其特殊的船体外形求取较大的排水量。双体船具有宽敞的甲板面积，良好的稳性，较浅的吃水，制造技术要求不复杂，造价不高，还有使用可靠、维修方便等优点。其中文献 14一文结合多航态高速双体船的自身特点，依据目前潜艇结构、气垫船结构以及内河双体船结构的型式对该高速双体船的结构型式进行了初步设定。并以结构力学为基础，利用直接计算法，对该高速双体船的结构初步设计进行计算，对其中该高速双体船的几个危险工况下进行了结构的强度、稳性的计算和校核，得出一个较为合理的结 构。最后通过有限元软件计算和分析，得出一个较有参考价值的结果。为今后多航态高速双体船的设
14、计提供重要的数据和参考价值。文献 15通过不同船型在静水中的试验，来讨论片体间距比、舭龙骨面积及排水量 -宽度比等参数对双体船横摇角的影响，从而得出了计算双体船横摇角及其周期的公式。文献 16一文在方案设计时利用船舶设计中通常采用的母型法，并根据一些统计资料总结出一套适用于小水线面双体船的空船重量早初步设计中的估算方法，通过对国内外设计制造的多艘小水线面双体船的主体要素及其线型、总布置、推进方式等各方面的特征进行统计分 析，确定出该小水线面双体船的主体主尺度和船型参数以及相应的线型。而在研究小水面双体船的稳性时，主要将其分为两部分：横向稳性和纵向稳性。其中横向稳性又将其分成完整稳性和破舱稳性两
15、部分分别进行计算讨论。而纵向稳性的研究是基于船舶航速达到一定值之后来进行讨论分析的。陈京普，朱德祥等人在文献 17一文中根据Daniel Floden18等人使用商用势流软件对三体船做片体优化，采用改进的Dawson 方法，自行开发了可用于双体船、三体船兴波阻力的数据预报程序，并且考虑了高速三体船方尾的处理。并分别计算一条小水线面 双体船和三体船来验证该文的预报方法在一定范围内是比较合理的。随着穿浪双体船的高速化，出现了吨位较小的游艇有剧烈的横摇运动，为了改善其耐波性，文献 19一文通过在穿浪双体船上加装减纵摇组合附体，并应用流体力学软件 CFX 对流场分析，得到组合附体调整到适当的位置可以取
16、得耐波性、快速性等航行性能的最优的结合点，从而获得最佳的综合航行性能。文献 20一文以一艘实船为例，对双体集装箱船稳性计算的过程及结果进行了叙述，对风压稳性横准、船舶重心高度对稳性的影响、静稳性衡准及有关规范要求进行了讨论。 而对于非对称多体船的 研究就我所知仅仅只有贾敬蓓等人的不对称型双体船初稳性研究 21。他们通过船舶静力学原理 2推导出了不对称双体船初稳性高的理论计算公式，并将其编制成 FORTRAN 程序用于计算不对称船体的初稳性高及判断不对称船体初稳性的好坏。并以两艘单体船来验证其公式的可行性。最后以两艘单体船组合为一艘不对称双体船，来计算分析侧体与主体之间的不同位置对初稳性高的影响
17、。 综合上述，人们对于常规船舶稳性的研究比较深入，比较透彻。然而对于多体船的研究特别是不对称多体船的研究却是刚刚起步。据我所知，对于不对称船型的理论研究目前 只有初稳性的研究，因此不对称双体船大倾角稳性的研究就显得非常的有意义。同时，也对其他不对称的船型的研究提供参考资料。 三、国内外研究发展 关于稳性的研究一直是船舶力学研究的热点。由于船舶及海上浮体运动的复杂性以及人们对倾覆机理认识的局限性，再加上新船型的发展以及新的海损事故的发生，为稳性研究提出了很多新课题。 ITTC（国际船模试验池会议）专门成立了稳性专家委员会，组织各国研究人员进行深入研究。国际稳性会议每 4 年举行一次，及时交流各国
18、关于稳性研究的成果。例如 IMO 决议。国内有关的大专院校及科研机构也在 不断研究，人们对船舶倾覆机理的认识不断加深，不少成果已在稳性规则的修改中应用。 22 四、本论文主要的工作 （ 1）建立数学模型。通过参考文献资料，在常规船型大倾角稳性计算方法的基础上依据不对称船型的特点进行受力分析，并画出相应的图形。如横剖面图，水线面图等等。 （ 2）推导公式。依据相关资料和静力学的基本原理，利用常规船大倾角稳性计算的约束条件和计算方法推导出不对称双体船大倾角稳性的公式，并对其进行编写程序。 （ 3）选择一标准船，利用推导出来的公式进行验证，计算和分析，并画出相应的稳性曲线图形。同时与其他船 型进行比
19、较，分析其优缺点，并提出改进的方法和建议。 五、参考文献 1 News Singapore. Asean lady sea trials in Sep tember.http: / /www. rafflesyacht. com / images/news - update /Yachts%20Asia - Pacific. pdf. 2 盛振邦，杨尚荣，陈雪深 船舶静力学 M上海：上海交通大学出版社 1992 3 王元禹 谈船舶稳性对船舶安全的重要性 J内陆水产 1994-06-05 4 林政 , 毛筱菲 小水线面双体船的纵向运动稳定性研究 J船海工程 2010-04-25 5 刘烽杰 船舶
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22、力数值预报方法研究 J船泊工程 2006-4 18 Daniel Floden， Keunjae Kim， Peter Ottosson. A computational/experimental investigation on resistance and seakeeping characteristics of trimaran configuration in comparison with monohullA.The 9th Symposium on Practical Design of Ships and Other Floating StructuresC. Luebeck-Travemuende, Germany， 2004 19 杜拥军，李积德 穿浪双体船加装组合附体优化设计 M哈尔滨工程大学出版社 2004-02-01 20 陈坚 对一艘双体集装箱船的稳性计算与探讨 J 江苏造船 2001 年 3 期 21 贾敬蓓 ，宗智，师华强，马俊 不对称型双体船初稳性研究 J中国舰船研究 2008-2-15 22 高家镛 船舶稳性研究的现状及发展 J上海造船 2003-4-15
