過度加速度第一層與第二層薄弱性衡準(zhǔn)一致性分析

馬 坤 于開波 梅樹猛

(大連理工大學(xué)船舶工程學(xué)院 大連 116024)

0 引 言

目前，國際海事組織(International Maritime Organization,IMO)正在進(jìn)行第二代完整穩(wěn)性衡準(zhǔn)的制定工作.經(jīng)過多年的努力，第二代完整穩(wěn)性衡準(zhǔn)中五種失效模式的薄弱性衡準(zhǔn)草案基本完成[1]，在最新召開的SDC第4次會(huì)議中，中國代表團(tuán)針對(duì)多艘集裝箱船、LNG船及滾裝船進(jìn)行了計(jì)算，并針對(duì)初穩(wěn)性高及橫搖固有周期對(duì)過度加速度一、二層結(jié)果的影響進(jìn)行了分析[2]；日本針對(duì)SDC第3次會(huì)議中的錯(cuò)誤做出了修正[3]；美國對(duì)多種樣船的不同載況進(jìn)行了過度加速度評(píng)估，利用評(píng)估結(jié)果對(duì)過度加速度第二層薄弱性衡準(zhǔn)的不同計(jì)算方法及結(jié)果的影響因素做了比較全面的比對(duì)[4].但從各國遞交至IMO的計(jì)算數(shù)據(jù)來看，某些樣船的第一層與第二層薄弱性衡準(zhǔn)的計(jì)算結(jié)果存在不一致性，這里的不一致性是指船舶某種載況滿足第一層衡準(zhǔn)但沒有通過第二層衡準(zhǔn)校核[5].

本文基于已開發(fā)的過度加速度薄弱性衡準(zhǔn)第一層和第二層計(jì)算程序，選取了漁政船、油船、巡邏船、海域看護(hù)船等23艘樣船共69種工況進(jìn)行計(jì)算，對(duì)導(dǎo)致一、二層結(jié)果出現(xiàn)不一致的載況做出分析，并對(duì)衡準(zhǔn)值提出了建議，為過度加速度薄弱性衡準(zhǔn)的確定提供技術(shù)支持.

1 過度加速度薄弱性衡準(zhǔn)

1.1 第一層薄弱性衡準(zhǔn)

如果船舶在任何裝載條件下都能滿足式(1)，則認(rèn)為滿足過度加速度第一層薄弱性衡準(zhǔn)要求[6-7].

(1)

式中：φ為橫搖幅值，rad；KL為考慮垂向加速度及首搖影響的無因次系數(shù)；g為重力加速度，9.81 m/s2；h為船員或乘客能到達(dá)的最高點(diǎn)至橫搖軸的距離，m；Tr為橫搖固有周期，s；REA1為第一層的衡準(zhǔn)值，草案的取值方案有5.3，8.69及8.9 m/s2[8].

1.2 第二層薄弱性衡準(zhǔn)

第二層薄弱性衡準(zhǔn)采用概率方法對(duì)過度加速度失效模式進(jìn)行計(jì)算和評(píng)價(jià).評(píng)價(jià)指標(biāo)為取值范圍從0.0～1.0的長(zhǎng)期失效概率，由各環(huán)境工況下的短期失效概率加權(quán)計(jì)算得到，即如果船舶在任何裝載條件下均能滿足式(2)，則認(rèn)為該船滿足過度加速度第二層薄弱性衡準(zhǔn)要求.

(2)

式中：C為長(zhǎng)期失效概率；Wi為不同波況下的權(quán)重系數(shù)，取自北大西洋波浪散布圖；Ci為短期失效概率，由式(3)確定；REA2為第二層衡準(zhǔn)值，提議的取值方案有1.1×10-4,10-3,0.028 1及0.043 m/s2.

(3)

2 樣船計(jì)算結(jié)果

選取23艘樣船，每船各有3種工況，共69種工況，樣船包括漁政船、油船、巡邏船、看護(hù)船等，保證了樣船種類的多樣性；另外，樣船船長(zhǎng)范圍從24～186 m，樣船中小船占比較大.

根據(jù)IMO草案中的過度加速度薄弱性衡準(zhǔn)的計(jì)算原理，使用VB語言開發(fā)出過度加速度薄弱性第一層及第二層計(jì)算程序，程序的可靠性驗(yàn)證見表1.

表1 程序可靠性驗(yàn)證

通過表2數(shù)據(jù)可以驗(yàn)證程序的可靠性，利用該程序?qū)?3艘樣船共計(jì)69種工況進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見表2.

表2 過度加速度薄弱性衡準(zhǔn)樣船計(jì)算結(jié)果匯總

續(xù)表2

3 第一層與第二層一致性分析

3.1 衡準(zhǔn)值選取對(duì)過度加速度一致性的影響

由表2可知，若過度加速度第一層衡準(zhǔn)值取5.3 m/s2，有30種工況不能通過；若按照衡準(zhǔn)值為8.9或8.69 m/s2評(píng)估，則除了三艘川江油船的9種工況沒有滿足要求外，其他60種工況都能通過第一層薄弱性衡準(zhǔn).第二層衡準(zhǔn)值取1.1×10-4m/s2時(shí)，有44種工況不能通過第二層校核；若衡準(zhǔn)值取1.0×10-3m/s2，則有28種工況不能通過；若按照衡準(zhǔn)值0.028 1 m/s2評(píng)估，只有五種工況不能通過；若按照衡準(zhǔn)值0.043 m/s2評(píng)估，有三種工況不能通過校核.

從上述分析來看，選取不同的衡準(zhǔn)值組合對(duì)過度加速度的一致性有很大的影響，但從本文樣船計(jì)算數(shù)據(jù)分析，第一層衡準(zhǔn)值若選用5.3 m/s2過于嚴(yán)苛，選用8.9或8.69 m/s2更為合理；第二層衡準(zhǔn)值若選用1.1×10-4m/s2過于嚴(yán)苛，選用0.028 1或0.043 m/s2則過于寬松，選取1.0×10-3m/s2較為合理，因此，在本文后續(xù)分析中，第一層衡準(zhǔn)值選為8.9 m/s2，第二層衡準(zhǔn)值選為0.001 m/s2，將樣船計(jì)算結(jié)果與衡準(zhǔn)值整理成圖1.

圖1 樣船一、二層結(jié)果與衡準(zhǔn)值的比較

由圖1可知，在本文的樣船計(jì)算中過度加速度薄弱性衡準(zhǔn)一、二層之間共有八艘船19種載況存在不一致的情況；另外，三艘川江油船共九種載況的一、二層評(píng)估結(jié)果異常，不符合實(shí)際情況，這三艘船屬于不適用，所以可以除外.

3.2 98客位客渡船過度加速度一致性分析

由圖1可知，該船三種載況通過了過度加速度第一層校核，但卻未通過第二層薄弱性衡準(zhǔn)校核，不滿足一致性要求.

通過分析發(fā)現(xiàn)，98客位客渡船的船型為尖舭型，無舭龍骨，在過度加速度第一層薄弱性衡準(zhǔn)的阻尼系數(shù)計(jì)算時(shí)對(duì)尖舭船型做了特殊考慮；而第二層對(duì)于阻尼的計(jì)算采用的是池田法，該方法未考慮尖舭船型，阻尼計(jì)算會(huì)偏小.

為了驗(yàn)證該因素是造成該船計(jì)算結(jié)果存在不一致的原因，本文將過度加速度第一層薄弱性衡準(zhǔn)的計(jì)算程序進(jìn)行修改，使其不考慮尖舭船型而進(jìn)行一層校核，將計(jì)算結(jié)果與考慮尖舭船型的程序的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，見表3.

表3 考慮尖舭與不考慮尖舭的一層結(jié)果對(duì)比 m/s2

由表3可知，一層評(píng)估方法中如果未考慮尖舭船型其校核結(jié)果也非常大，不滿足衡準(zhǔn)要求，驗(yàn)證了該因素是導(dǎo)致98客位客渡船三種載況過度加速度一、二層評(píng)估結(jié)果不一致的內(nèi)在原因，因此建議IMO對(duì)第二層中的阻尼評(píng)估方法中對(duì)尖舭船型做詳細(xì)考慮.

3.3 船長(zhǎng)對(duì)過度加速度一致性影響

由圖1可知，除98客位客渡船及三艘內(nèi)河油船外，另有七艘樣船共16種工況不滿足一致性，對(duì)于船長(zhǎng)超過80 m的樣船，一、二層的一致性非常好；對(duì)于船長(zhǎng)小于80 m的船舶，尤其對(duì)于船長(zhǎng)小于50 m的樣船，存在一、二層之間的不一致性明顯.

這些船長(zhǎng)較小的樣船在實(shí)際航行中并沒有發(fā)生過度加速度，從原理上分析也并沒有發(fā)現(xiàn)其不適用性，且這些小船的一層校核均滿足衡準(zhǔn)要求，那么導(dǎo)致不一致性的原因可能在于目前提出的二層衡準(zhǔn)值是由各國的樣船計(jì)算結(jié)果而決定的，而各國所選取的樣船大都為船長(zhǎng)較大的船舶，對(duì)船長(zhǎng)較小的船舶不具有參考性，因此建議根據(jù)船長(zhǎng)分段制定二層衡準(zhǔn)值.

從計(jì)算結(jié)果來看，第二層衡準(zhǔn)值對(duì)船長(zhǎng)小于80 m的船舶取值應(yīng)不小于0.008 m/s2才能夠保證所有樣船的一致性.這里所建議的衡準(zhǔn)值不包括三艘內(nèi)河油船，對(duì)于三艘內(nèi)河油船，首先其航行環(huán)境與衡準(zhǔn)中所考慮的海況不符；其次江船寬度吃水比較大，超出過度加速度第二層薄弱性衡準(zhǔn)的范圍，本文是按照臨界值計(jì)算，可能會(huì)造成阻尼的計(jì)算結(jié)果不精確，因此,認(rèn)為其對(duì)衡準(zhǔn)值的選定不具參考價(jià)值.但為了保證草案的普適性及計(jì)算的準(zhǔn)確性，IMO需要對(duì)寬度吃水比過大的船舶的阻尼評(píng)估方法做出詳細(xì)說明.

如果對(duì)于船長(zhǎng)小于80 m船舶的第二層衡準(zhǔn)值選為0.008 m/s2，且不考慮不適用船型的計(jì)算結(jié)果，將其二層計(jì)算結(jié)果與衡準(zhǔn)值整理成圖2.

圖2 二層計(jì)算結(jié)果與建議衡準(zhǔn)值的比較

由圖2可知，所有適用樣船的二層計(jì)算結(jié)果均滿足了衡準(zhǔn)的要求，通過分段制定衡準(zhǔn)值可以解決本文樣船一、二層結(jié)果不一致的問題.

4 結(jié) 論

1) 將樣船計(jì)算結(jié)果與IMO草案中的衡準(zhǔn)值進(jìn)行對(duì)比，認(rèn)為第一層衡準(zhǔn)值選為8.9 m/s2，第二層衡準(zhǔn)值選為0.001 m/s2較為合理.

2) 分析了98客位客渡船的計(jì)算結(jié)果，可以看出目前草案中的第二層薄弱性衡準(zhǔn)在阻尼計(jì)算時(shí)未考慮尖舭船型的影響，因此建議IMO在過度加速度第二層薄弱性衡準(zhǔn)評(píng)估中對(duì)尖舭船型做出詳細(xì)說明.

3) 三艘內(nèi)河油船不適用于目前提出的過度加速度草案，但為了保證草案的普適性及計(jì)算的準(zhǔn)確性，建議IMO對(duì)寬度吃水比過大的船舶的阻尼評(píng)估方法做出詳細(xì)說明.

4) 通過樣船計(jì)算分析，可以看出過度加速度薄弱性衡準(zhǔn)一、二層在船長(zhǎng)小于80 m的樣船中存在明顯的不一致性，建議IMO增加小船的樣船數(shù)據(jù)，根據(jù)船長(zhǎng)分段制定衡準(zhǔn)值，從本文的樣船數(shù)據(jù)來看，對(duì)于船長(zhǎng)小于80 m的船舶二層衡準(zhǔn)值應(yīng)不小于0.008 m/s2.