癱船穩(wěn)性第二層薄弱性衡準(zhǔn)研究

李昕雪，王迎光

(1. 上海交通大學(xué) 船舶海洋與建筑工程學(xué)院，上海 200240; 2. 上海交通大學(xué) 海洋工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200240; 3. 高新船舶與深海開發(fā)裝備協(xié)同創(chuàng)新中心，上海 200240)

癱船穩(wěn)性第二層薄弱性衡準(zhǔn)研究

李昕雪1, 2, 3，王迎光1, 2, 3

(1. 上海交通大學(xué) 船舶海洋與建筑工程學(xué)院，上海 200240; 2. 上海交通大學(xué) 海洋工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200240; 3. 高新船舶與深海開發(fā)裝備協(xié)同創(chuàng)新中心，上海 200240)

基于IMO第二代完整穩(wěn)性草案中癱船穩(wěn)性第二層薄弱性衡準(zhǔn)的有關(guān)研究，分析草案提出的簡(jiǎn)化計(jì)算方法，采用一個(gè)單自由度船舶橫搖運(yùn)動(dòng)微分方程，利用例船CEHIPAR2792數(shù)據(jù)，編譯相應(yīng)程序，求得不規(guī)則橫風(fēng)橫浪作用下癱船橫搖運(yùn)動(dòng)相應(yīng)特征，進(jìn)而計(jì)算特定海況下的傾覆概率及特定海區(qū)的平均傾覆指數(shù)，并與草案值進(jìn)行對(duì)比。分析不同擬合扶正力臂曲線方法和剩余穩(wěn)性高對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響，并對(duì)癱船穩(wěn)性第二層薄弱性衡準(zhǔn)方法進(jìn)行修改。

癱船第二層薄弱性衡準(zhǔn)；傾覆概率；平均傾覆指數(shù)

Abstract: In the framework of the development of IMO New Generation Intact Stability Criteria, the paper is aimed to analyze a simplified and probability approach suitable for 2ndlevel vulnerability assessment in dead ship condition. 1-DOF model is applied to solve roll motion of the vessel CEHIPAR2792, with wind and waves taken into account. With the results obtained, according programs are combined to calculate the capsize probability in given condition and average failure index in given region, meanwhile the index is compared with the draft data. Finally the paper analyzes the effect of different fitting methods of righting arm curve and the residual GM, and gives some amendments to the process of 2nd level vulnerability assessment in dead ship condition.

Keywords: 2ndlevel vulnerability assessment in dead ship condition; capsize probability; average failure index

船舶完整穩(wěn)性是指船舶在未破損狀態(tài)時(shí)的穩(wěn)性，是船舶最重要的技術(shù)性能之一。隨著現(xiàn)代船舶逐步向大型化發(fā)展，符合穩(wěn)性法規(guī)的船舶仍會(huì)發(fā)生傾覆事故，船舶安全問題日益顯現(xiàn)。因此，在2008年召開的穩(wěn)性、載重線和漁船安全分委會(huì)第51次會(huì)議上啟動(dòng)了“新一代完整穩(wěn)性衡準(zhǔn)”的制定工作。至今，國(guó)際海事組織匯總各國(guó)的提議草案，形成了由5種失效模塊、3層評(píng)估方法及航行作業(yè)指南構(gòu)成的第二代完整穩(wěn)性衡準(zhǔn)構(gòu)架體系[1]。

基于IMO SDC1/INF.6癱船穩(wěn)性失效衡準(zhǔn)的相關(guān)內(nèi)容，對(duì)癱船穩(wěn)性第二層薄弱性衡準(zhǔn)數(shù)值計(jì)算方法進(jìn)行研究。采用一個(gè)單自由度船舶橫搖運(yùn)動(dòng)微分方程，通過數(shù)值計(jì)算求得不規(guī)則橫風(fēng)橫浪作用下癱船橫搖運(yùn)動(dòng)相應(yīng)特征，結(jié)合北大西洋波高周期分布圖，計(jì)算得出給定環(huán)境條件下的傾覆概率[2-3]。

1 癱船穩(wěn)性第二層薄弱性衡準(zhǔn)方法

1.1計(jì)算方法概述

考慮真實(shí)隨機(jī)環(huán)境下風(fēng)浪的聯(lián)合作用影響，采用單自由度的運(yùn)動(dòng)方程描述船舶運(yùn)動(dòng)，忽略橫搖運(yùn)動(dòng)與其它自由度運(yùn)動(dòng)的耦合影響。波浪作用力通過波傾譜進(jìn)行計(jì)算，風(fēng)作用力包括定常風(fēng)作用和陣風(fēng)作用兩部分。采用譜分析方法代替?zhèn)鹘y(tǒng)的蒙特卡洛時(shí)域模擬，計(jì)算橫搖運(yùn)動(dòng)譜[2]。根據(jù)解得的橫搖運(yùn)動(dòng)特性計(jì)算給定海況下船舶的傾覆指數(shù)[4]。

1.2橫搖運(yùn)動(dòng)方程

采用單自由度非線性橫搖運(yùn)動(dòng)方程描述不規(guī)則橫風(fēng)橫浪下船舶運(yùn)動(dòng)

上式兩邊同時(shí)除以(Jxx+Jadd)，忽略三次阻尼項(xiàng)得無因次運(yùn)動(dòng)方程

1.2.1 波浪作用

采用譜分析法考慮波浪作用，假定由波浪作用產(chǎn)生的激振力是高斯過程，無限水深條件下，波浪力矩譜可按下式計(jì)算

式中：fr,waves為有效波傾函數(shù)，是表面波傾與有效波傾的比例系數(shù)，函數(shù)值小于1，是船體形狀、船寬與波長(zhǎng)比、吃水、重心位置和波浪頻率等因素的函數(shù)；ω為波浪頻率；SZZ(ω)為Bretschneider波浪譜；g為重力加速度。

根據(jù)式(3)可得波浪作用無因次力矩譜

1.2.2 風(fēng)作用

風(fēng)的作用可以分為定常風(fēng)和陣風(fēng)作用兩部分。定常風(fēng)無因次力矩計(jì)算如下

根據(jù)風(fēng)的類型、平均風(fēng)速等因素，陣風(fēng)譜可以有多種不同的形式，本文采用Davenport陣風(fēng)譜

1.3運(yùn)動(dòng)方程的近似求解

根據(jù)式(4)和式(7)可得風(fēng)浪聯(lián)合作用的無因次總橫搖力矩譜

為消除定常風(fēng)對(duì)橫搖運(yùn)動(dòng)方程的影響，引入新變量x=φ-φS，其中φS為定常風(fēng)作用下的靜平衡角[2]。

采用等效線性化方法，引入等效線性頻率

引入等效線性阻尼

式中：φS為定常風(fēng)作用下的靜平衡角。

綜上，式(1)可變形為

根據(jù)式(8)和式(11)可得橫搖運(yùn)動(dòng)譜

綜上

1.4傾覆概率計(jì)算方法

1.4.1 給定海況下傾覆指數(shù)計(jì)算

式中：Texp為暴露時(shí)間；TZ,X為橫搖周期；Δφres,EA+、Δφres,EA-分別為通過等效面積法得到順風(fēng)和逆風(fēng)方向的正穩(wěn)性范圍；φVW+、φVW-分別為順風(fēng)和逆風(fēng)方向的穩(wěn)性消失角；φcrit+、φcrit-分別為順風(fēng)和逆風(fēng)方向的臨界角；φcap,EA+、φcap,EA-分別為順風(fēng)和逆風(fēng)方向的等效傾覆角，RIEA+、RIEA-為順風(fēng)和逆風(fēng)方向的危險(xiǎn)指數(shù)。

1.4.2 給定海區(qū)下平均傾覆概率計(jì)算

考慮給定海區(qū)可能出現(xiàn)的各種海況，該海區(qū)給定暴露時(shí)間Texp下的船舶平均傾覆概率CIaverage計(jì)算公式如下：

式中：H1/3為有義波高；Tp為譜峰周期；Vm為平均風(fēng)速；當(dāng)某海況的環(huán)境變量為H1/3、Tp、Vm時(shí)，P(H1/3,Tp,Vm)為特定海區(qū)呈現(xiàn)該海況的概率；CI(H1/3,Tp,Vm)為船舶在該海況下的傾覆指數(shù)。

2 計(jì)算結(jié)果分析與比較

根據(jù)前述方法，編寫計(jì)算程序，并與草案中例船CEHIPAR2792相關(guān)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。該船靜水中的扶正力臂曲線及有效波傾系數(shù)取自意大利草案提供的數(shù)值信息，例船CEHIPAR2792基本數(shù)據(jù)如表1所示，GZ曲線如圖1所示。

表1 例船CEHIPAR2792數(shù)據(jù)Tab. 1 Information of CEHIPAR2792

圖1 靜水扶正力臂曲線Fig. 1 Hydrostatic righting arm curve

2.1計(jì)算結(jié)果比較

根據(jù)公式(15)計(jì)算例船CEHIPAR2792在給定暴露時(shí)間Texp內(nèi)給定海況下的傾覆指數(shù)CIEA，海況信息如表2所示。

本程序計(jì)算結(jié)果與意大利草案值的比較如表3所示。

表2 環(huán)境參數(shù)Tab. 2 Information of environment

表3 計(jì)算結(jié)果比較Tab. 3 Comparison of results

CI1h和CI1y分別代表暴露時(shí)間為1小時(shí)和1年的傾覆指數(shù)，自編程序計(jì)算值與草案例船數(shù)據(jù)在同一數(shù)量級(jí)，證明了該程序在計(jì)算特定海況下傾覆指數(shù)的正確性。

根據(jù)北大西洋波高周期分布散點(diǎn)圖，代入公式(16)得CEHIPAR2792在該海區(qū)下暴露時(shí)間1小時(shí)的平均傾覆概率為0.001 947，意大利草案值為0.001 980，計(jì)算結(jié)果在同一數(shù)量級(jí)，證明該程序在計(jì)算特定海區(qū)平均傾覆指數(shù)的正確性。

圖2 不同剩余穩(wěn)性高GMres傾覆概率計(jì)算結(jié)果Fig. 2 Influence of GMres to failure index

2.2影響因素分析

2.2.1 剩余穩(wěn)性高對(duì)傾覆概率的影響

討論剩余穩(wěn)性高對(duì)傾覆概率的影響，采用與表2相同的環(huán)境參數(shù)，計(jì)算暴露時(shí)間為1小時(shí)，剩余穩(wěn)性高在1.662～1.962范圍內(nèi)以步長(zhǎng)為0.03 m變化的傾覆概率值，計(jì)算結(jié)果如圖2所示。

由圖可知，隨著剩余穩(wěn)性高逐漸增大，自編程序計(jì)算值先變小后變大，當(dāng)剩余穩(wěn)性高為1.722 m時(shí)，程序計(jì)算值與草案值相差一個(gè)數(shù)量級(jí)。自編程序在積分計(jì)算中采用梯形積分法，積分步長(zhǎng)約為0.005，所得結(jié)果雖然在同一數(shù)量級(jí)，但約為意大利草案值的2倍。

2.2.2 不同扶正力臂曲線擬合方法對(duì)傾覆概率的影響

采用等效線性化方法求剩余穩(wěn)性高時(shí)，分別采用多項(xiàng)式(奇次項(xiàng))和樣條擬合方法擬合扶正力臂曲線，計(jì)算剩余穩(wěn)性高。采用與表2相同的環(huán)境參數(shù)計(jì)算暴露時(shí)間為1小時(shí)和1年的傾覆概率值，并與草案值比較，結(jié)果如表4。不同擬合方法求得的剩余穩(wěn)性高與圖2曲線變化一致，在1.762 0 m附近隨著GMres增大，自編程序所計(jì)算的概率值略微減小。

表4 不同剩余穩(wěn)性高擬合方法對(duì)傾覆概率的影響Tab. 4 Influence of fitting methods to failure index

2.2.3 不同積分方法對(duì)傾覆概率的影響

在計(jì)算傾覆概率時(shí)，需對(duì)扶正力臂曲線進(jìn)行積分，分別應(yīng)用梯形法和辛普森法進(jìn)行計(jì)算。采用與表2相同的環(huán)境參數(shù)計(jì)算暴露時(shí)間為1小時(shí)和1年的傾覆概率值，并與草案值比較，結(jié)果如表5所示。

表5 不同積分方法對(duì)傾覆概率的影響Tab. 5 Influence of integration methods on failure index

辛普森法計(jì)算精度高于梯形法，當(dāng)積分步長(zhǎng)足夠小時(shí)，兩種積分方法所得的傾覆概率相差不大，梯形法易于編程，所以自編程序采用梯形法積分。

3 結(jié) 語(yǔ)

根據(jù)IMO第二代完整穩(wěn)性最新研究成果，研究癱船穩(wěn)性失效模式第二層薄弱性的意大利草案，并編制相應(yīng)程序，對(duì)結(jié)果進(jìn)行比較和分析，得到如下結(jié)論：

1)意大利草案提出的簡(jiǎn)便算法可以快速求得船舶在不同風(fēng)浪環(huán)境下的傾覆概率，滿足癱船穩(wěn)性失效模式第二層薄弱性的計(jì)算要求。同時(shí)通過對(duì)例船CEHIPAR2792的計(jì)算結(jié)果對(duì)比，驗(yàn)證了自編程序的正確性。

2)不同扶正力臂曲線擬合方法求得的剩余穩(wěn)性高會(huì)對(duì)某海況下的船舶傾覆概率產(chǎn)生影響，因此建議統(tǒng)一擬合方法。

3)自編程序在積分計(jì)算中采用梯形積法和辛普森法，兩者結(jié)果接近，且與草案值在同一數(shù)量級(jí)，但約為意大利草案值的2倍，和其它研究成果相比[5-6]，剩余穩(wěn)性高計(jì)算值比較接近草案值，傾覆指數(shù)計(jì)算結(jié)果不理想，因此建議對(duì)積分精度及方法提出統(tǒng)一要求。

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Study on a simplified dynamical methodology for 2ndlevel vulnerability assessment in dead ship condition

LI Xinxue1, 2, 3, WANG Yingguang1, 2, 3

(1. Naval Architecture, Ocean and Civil Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China; 2. State Key Laboratory of Ocean Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China; 3. Collaborative Innovation Center for Advanced Ship and Deep-Sea Exploration, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China)

1005-9865(2017)02-0021-06

U661.32

A

10.16483/j.issn.1005-9865.2017.02.004

2015-11-20

海洋工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室自主研究課題資助項(xiàng)目(GKZD010038)

李昕雪(1989-)，女，遼寧沈陽(yáng)人，碩士研究生，主要從事船舶穩(wěn)性方向研究。E-mail:lixinxue1989@163.com

王迎光。E-mail:wyg110@sjtu.edu.cn