第二代完整穩(wěn)性衡準的驗證與改進研究

李 曉，朱永峨，周耀華

（中國船級社上海規(guī)范研究所，上海 200135）

0 引 言

國際海事組織（IMO）正在研究制定第二代完整穩(wěn)性衡準，主要采用多層評估方法，以建立計及主要動力穩(wěn)性失效模式的船舶設計最低標準，并可適用于非常規(guī)類型的船舶。隨著時間的推移，其將作為2008國際完整穩(wěn)性規(guī)則（2008 IS CODE）A部分強制性要求的補充和替代方法。

第二代完整穩(wěn)性衡準主要包括采用建立在幾何/水動力數(shù)值、裝載工況和基本營運參數(shù)等基礎上的簡單公式進行評估的第一層薄弱性衡準，采用簡化物理計算進行評估的相對較為復雜的第二層薄弱性衡準，以及采用時域數(shù)值模擬和概率理論進行的最為復雜的穩(wěn)性直接評估。目前確定的動穩(wěn)性失效模式有5種：參數(shù)橫搖、純穩(wěn)性喪失、癱船狀態(tài)、橫甩和過度加速度[1]。

IMO穩(wěn)性、載重線和漁船安全分委會（SLF）完整穩(wěn)性（IS）工作組認為，第一層薄弱性衡準對新的第二代完整穩(wěn)性規(guī)則是非常重要的，因為，這是船舶設計者和船長對穩(wěn)性各種失效模式進行了解并作出判斷的簡單易行的方法和途經(jīng)。

本文根據(jù)SLF 53/INF.10 ANNEX2[2]提出的參數(shù)橫搖和純穩(wěn)性喪失的第一層薄弱性衡準建議方案，對我國有代表性的實船進行驗證，并就建議方案的適用性和合理性，提出必要的改進意見和建議。

1 參數(shù)橫搖和純穩(wěn)性喪失的第一層薄弱性衡準建議方案

1.1 參數(shù)橫搖的第一層薄弱性衡準

如圖1所示，參數(shù)橫搖最可能在縱向波浪（迎浪/隨浪）中出現(xiàn)。這是因為船舶在縱向波浪中沿船長水線面隨時間變化引起復原力臂相應變化，從而導致在某些情況下會發(fā)生參數(shù)橫搖。

圖1 船舶在波浪中沿船長的水線面變化示意圖

綜上所述，可簡化出以GM（初穩(wěn)性高度）變化為要素，作為參數(shù)橫搖的第一層薄弱性衡準。SLF 53/INF.10 ANNEX2建議的參數(shù)橫搖第一層薄弱性衡準具有一定的典型性：

式中：UI和LI——分別為最高吃水和最低吃水的慣性矩；

V——船舶額定吃水的排水體積，取最高吃水為干舷甲板以下5%干舷；最低吃水為平均吃水的一半或船中干舷甲板下舭圓和側壁的交點。

如果GM變化幅值滿足上述關系式，則可能發(fā)生參數(shù)橫搖。需注意，該衡準不指定波高，而是假設波浪中GM變化最不利的相對波高。

1.2 純穩(wěn)性喪失的第一層薄弱性衡準

純穩(wěn)性喪失是由于單個入射波導致瞬時水線面面積變化引起，特別是船被艉斜浪的波峰緩慢通過時，復原力臂將相對靜止水面大幅減小。如果此時存在風/浪外部擾動力，將導致船舶有較大的橫搖，當船舶航速略低于所騎波浪的臨界速度時，船舶中心位于波峰的時間將會很長，純穩(wěn)性喪失的風險極大。

綜上所述，可簡化出相應于最小水線面的初穩(wěn)性高度 GMmin為要素，作為純穩(wěn)性喪失的第一層薄弱性衡準。SLF 53/INF.10 ANNEX2建議的純穩(wěn)性喪失第一層薄弱性衡準具有一定的典型性：

式中：KB、KG——分別為浮心高度和重心高度。

如果 GMmin為負值，則船舶存在純穩(wěn)性喪失的危險。

2 實船計算及評估

分別選取集裝箱船、客滾船、油船和散貨船各5艘進行參數(shù)橫搖和純穩(wěn)性喪失第一層薄弱性衡準的實船驗證和分析。

2.1 實船主要參數(shù)

20艘實船的主要參數(shù)見表1。

表1 主要參數(shù)

續(xù)表1

2.2 第一層薄弱性衡準

20艘實船的參數(shù)橫搖和純穩(wěn)性喪失第一層薄弱性衡準計算結果如表2所示。

表2 實船計算結果

2.3 分析

2.3.1 實船驗證

1) 客滾船：參數(shù)橫搖，5艘實船均存在發(fā)生參數(shù)橫搖的可能性，衡準較嚴格；純穩(wěn)性喪失，5艘實船中2艘船有可能發(fā)生，衡準相對合理。

2) 集裝箱船：參數(shù)橫搖，3艘尺度較小的實船計算值與衡準值（0.51）相差較小，2艘主尺度較大的實船計算值與衡準值相差巨大。5艘船中3艘實船有參數(shù)橫搖的可能，其中主尺度較大的2艘船的參數(shù)橫搖風險更大。衡準較為嚴格；純穩(wěn)性喪失，5艘實船中4艘船是安全的，1艘尺度較大的船發(fā)生純穩(wěn)性喪失的風險很大，衡準合理性相對好于參數(shù)橫搖；注意到集裝箱船的裝載情況眾多，且差異性很大，要求所有裝載情況均滿足參數(shù)橫搖和純穩(wěn)性喪失衡準的條件，很困難。

3) 油船：參數(shù)橫搖，5艘實船均滿足衡準要求；純穩(wěn)性喪失，5艘實船均滿足衡準要求。

4) 散貨船：參數(shù)橫搖，5艘實船均滿足衡準要求；純穩(wěn)性喪失，5艘實船均滿足衡準要求。

2.3.2 兩種失效模式的第一層衡準評估

綜合實船計算分析可以看出，滾裝船和集裝箱船發(fā)生參數(shù)橫搖和純穩(wěn)性喪失的可能性較大，而油船和散貨船幾乎不發(fā)生參數(shù)橫搖和純穩(wěn)性喪失?？偟膩碚f，純穩(wěn)性喪失第一層衡準相對比較合理，而參數(shù)橫搖第一層衡準則要求過于嚴格。

2.3.3 兩種失效模式第一層衡準計算方法分析

SLF 53/INF.10 ANNEX2建議的兩種失效模式的第一層衡準，選取計算 ΔGM/GM和GMmin的水線慣性矩分別是最高和最低吃水下的 IU和 IL，該兩個吃水差值(dU-dL)反映了所考慮的波高。對計算的5艘集裝箱船分別為：4.71m、6.04m、6.85m、12.58m和16.97m。

從集裝箱船在海上可能遭遇的波浪而言，上述波高可能過于保守，特別是對大型和超大型船舶。從現(xiàn)代集裝箱船所具備接收氣象和海況預報的能力看，完全可以規(guī)避危險的巨浪。

因此，選取吃水差值(dU-dL)為0.17λ3/4（反映波高與波長的統(tǒng)計關系式），計算時取波長等于船長，如吃水差值(dU-dL)大于8.5m，取8.5m，該波高數(shù)值相當于北大西洋海況的有義波高[3]。

按此計算得到5艘集裝箱船的吃水差值(dU-dL)分別為：4.86m、6.54m、6.54m、8.50m和8.50m，該數(shù)值對大型和超大型集裝箱船有一定的減小。兩種失效模式的第一層衡準結果見表3。

表3 根據(jù)建議波高計算的集裝箱船的結果

由此看出，C3變?yōu)榻咏豢赡馨l(fā)生參數(shù)橫搖，反映出改進合理。但是，上述改進建議對大型和超大型集裝箱船C4和C5仍然未改變衡準結果，這表明，SLF 53/INF.10 ANNEX2建議的參數(shù)橫搖第一層薄弱性衡準存在根本性不足，有必要進一步修改。

2.3.4 參數(shù)橫搖與“過度加速度”協(xié)調

值得注意的是，為避免參數(shù)橫搖，則要求增大初穩(wěn)性高度GM。但是，IMO 2008 IS規(guī)則指出，過高的初穩(wěn)性高度值會“不利于船舶及其裝置、設備和所運貨物的加速度力”，因此，參數(shù)橫搖與“過度加速度”是相互矛盾的兩個穩(wěn)性失效模式。協(xié)調好這兩種穩(wěn)性失效模式的衡準是第二代穩(wěn)性規(guī)則制定時所必須考慮的因素。

3 結 語

對第二代完整穩(wěn)性衡準的第一層薄弱性衡準的SLF 53/INF.10 ANNEX2方案進行了實船計算，初步篩選結果顯示，大部分客滾船和集裝箱船存在參數(shù)橫搖和純穩(wěn)性喪失的薄弱性，這與船舶營運需長期保持良好安全的情況不符。

對大型集裝箱船，如采用建議的吃水差值(dU-dL)，衡準結果的合理性將得到一定的改善，特別是純穩(wěn)性喪失的第一層衡準變得更為合理。同時，也發(fā)現(xiàn)SLF 53/INF.10 ANNEX2建議的參數(shù)橫搖第一層薄弱性衡準仍存在根本性不足，有必要進一步修改。

此外，對于大型和超大型集裝箱船，是否要采用與小型船舶相同的參數(shù)橫搖和純穩(wěn)性喪失薄弱性衡準也值得商榷。

參數(shù)橫搖與“過度加速度”是相互矛盾的兩個穩(wěn)性失效模式。協(xié)調好這兩種穩(wěn)性失效模式的衡準是第二代穩(wěn)性規(guī)則的制定時所必須考慮的因素。

[1] IMO, SLF53/3/1. Report of the Correspondence Group on Intact Stability[S]. 2010.

[2] IMO, SLF53/INF.10. Information Collected by the Correspondence Group on Intact Stability [S]. 2010.

[3] IMO, MSC/Circ.608/Rev.1. Interim Guidelines for Open-Top Containerships [S]. 1994.