避免在縱向波中發(fā)生參數(shù)橫搖若干設(shè)計方法

1、大 連 理 工 大 學(xué)研究生考查課作 業(yè)課程名稱： 船舶破損穩(wěn)性 研究生姓名： 裴斐 學(xué)號： 21324032 作業(yè)成績： 任課教師(簽名) 交作業(yè)日時間：2014 年 5 月2日避免在縱向波中發(fā)生參數(shù)橫搖的若干設(shè)計方法Naoya Umeda*, Shoji Ikejima*,Motoki Araki*和 Yoshiho Ikeda*(*大阪大學(xué)，日本，*海上技術(shù)安全研究所，日本*大阪府立大學(xué)，日本)摘要第二層脆弱性標(biāo)準(zhǔn)是國際海事組織第二代完整穩(wěn)性衡準(zhǔn)的一部分。為了克服在參數(shù)橫滾時導(dǎo)致無法符合第二層脆弱性標(biāo)準(zhǔn)，研究了兩種可能的設(shè)計方法。一種是增大舭龍骨區(qū)域，另一種是強化捆索設(shè)備。使用第二層衡準(zhǔn)

2、草案中的解析計算得出的結(jié)果顯示，對于汽車運輸船而言，輕微地增加舭龍骨寬度是一種可行的解決辦法。對C11級集裝箱運輸船而言，建議使用將輕微增加舭龍骨寬度和使用雙層固定橋相結(jié)合的方法。為第三層衡準(zhǔn)開發(fā)的時域數(shù)值模擬的結(jié)果支持針對C11級集裝箱運輸船的建議。引言參數(shù)橫搖對于現(xiàn)代大型集裝箱船的集裝箱損失具有極大的威脅。在1998年，一艘超巴拿馬級集裝箱船在頂頭浪中發(fā)生了嚴重的參數(shù)橫搖共振，導(dǎo)致了大量損失和對裝載的集裝箱的損害（法國，2003）。到目前為止，有若干起類似的事故和事件被報告。因此，在國際海事組織，針對參數(shù)橫搖的包含三層衡準(zhǔn)的第二代完整穩(wěn)性衡準(zhǔn)正在被開發(fā)中。他們的第一和第二層衡準(zhǔn)在2013年

3、在國際海事組織基本得到了同意，但是標(biāo)準(zhǔn)（或者要求安全等級）依然處于討論中（Umeda， 2013）。為了這個目的，數(shù)個代表團對超過150艘船舶進行了抽樣計算。結(jié)果，很多集裝箱船和汽車運輸船以它們現(xiàn)在的狀況，沒能通過參數(shù)橫搖的第一和第二層衡準(zhǔn)。因此，發(fā)展克服這種困難從而達到新的標(biāo)準(zhǔn)的可行的設(shè)計方法來十分緊迫。之后的集裝箱船的設(shè)計方案如下所示：- 安裝減搖水艙（Umeda等2008， Hashimoto和Umeda，2008）；- 在船體中部水上部分安裝舷側(cè)凸體（Umeda等，2008）；- 增大舭龍骨面積；- 強化捆索系統(tǒng)等等。其中，在本文中，研究了作為更加可行方案的增大舭龍骨面積方案和強化捆索

4、系統(tǒng)方案。這是因為其他兩種方案會導(dǎo)致集裝箱裝載數(shù)量的減少或者是增加總重量。我們系統(tǒng)地改變了一艘集裝箱船和一艘汽車運輸船的舭龍骨尺寸和允許的橫搖角。然后為第二代完整穩(wěn)性的第二層衡準(zhǔn)使用了概率計算，這些設(shè)計方案的效力從概率角度看是合格的。在此我們利用了一種在周期波中橫搖運動的分析解決方法，同時使用了Ikeda的簡化方法和北大西洋的波浪資料。結(jié)果我們確定出了能偶符合第二層衡準(zhǔn)草案的可能的設(shè)計方案。試驗船舶本實驗使用了五艘試驗船。兩艘集裝箱船，一艘汽車運輸船，一艘客滾船和一艘滾裝船。它們的主要參數(shù)和船體型線圖分別展示在表-1和圖1-5中。C11級集裝箱船在北太平洋有穩(wěn)性喪失的問題，但是本文所用的船殼外

5、形有少量的修改。（Levadou，&vant Veer，2006）。表1 試驗船的主要參數(shù)項目C11級集裝箱船汽車運輸船283米集裝箱船客滾船滾裝船船長：Lpp262.0m192.0m283.8m170.0m187.7m型寬：B40.0m32.26m42.8m25.0m24.5m型深：D24.45m37.0m24.4m9.5m平均吃水：d11.5m8.18m14.0m6.6m6.9m方形系數(shù)：Cb0.56m0.5430.630.521初穩(wěn)性高：GM1.965m1.250m1.060m1.410m1.000m天然橫搖周期：T25.14s22.0s30.3s17.9s18.3s中橫剖面系數(shù)：Cm0

6、.950.9480.9730.8870.787舭龍骨面積：ABK30.61638.484.347.645.6圖1 C11級集裝箱船船體型線圖2 汽車運輸船船體型線圖3 283m集裝箱船船體型線圖4客滾船船體型線圖圖5滾裝船船體型線圖參數(shù)橫滾衡準(zhǔn)第一層衡準(zhǔn)（IMO,2013）如果一艘船滿足如下所示條件，就被認為不會出現(xiàn)參數(shù)橫搖導(dǎo)致的穩(wěn)性喪失：GMGMRPR(1)RPR=0.17+0.425100ABkLBCm0.96=0.17+10.625Cm-9.775100ABkLB0.94Cm0.96 (2) =0.17+0.425100ABkLBCm82E22-A2E4EE（10）該式和第一層衡準(zhǔn)相符合

7、，因此這個方程的左側(cè)是舭龍骨面積比率和中橫剖面系數(shù)的公式，這個公式?jīng)Q定了橫傾的阻尼。因此，第一層衡準(zhǔn)比第二層衡準(zhǔn)更為保守?；蛘哒f，第一層和第二層衡準(zhǔn)之間的關(guān)系在邏輯上得到了保證。第三層衡準(zhǔn)作為第三層衡準(zhǔn)的直接穩(wěn)性評估要求我們計算最大橫傾角。在基于北大西洋的波浪圖譜的短期波浪狀況中，以及時域不規(guī)則波中采用橫傾、縱傾、升沉、橫搖耦合的模型來計算最大橫傾角，也就是IACS Rec. No.34。對每種短期海洋狀況取得max，max是在若干不同情況下，在持續(xù)時間為T的時間內(nèi)最大橫傾角的總平均值。如果max比最大許用橫傾角大，那么短期海況就被認為是危險的。使用這些結(jié)果，一年中危險短期海況的概率就被下列等

8、式計算出來了。P=1-(1-p1)365243600T (11)pi=00HmaxH1/3,T01-cfH1/3,T01dH1/3dH01 (12)其中，Hx=1 x00 x0 (13)C：可接受橫傾角f ：從波浪圖譜中得到的有效波高和平均波浪周期的聯(lián)合概率密度方程。如果這個概率超過了可接受程度，則該海浪狀況和船的速度以及航行角在穩(wěn)性手冊中記載為危險。第一層和第二層衡準(zhǔn)草案的使用在五艘試驗船上應(yīng)用了第一層和第二層衡準(zhǔn)。第一層衡準(zhǔn)的結(jié)果顯示在表2中。所有的船都有巨大的穩(wěn)性高度變化率，因為它們都有明顯的外飄和方尾。因此，它們被判定無法滿足第一層衡準(zhǔn)的參數(shù)橫搖。根據(jù)更綜合的樣本計算，大多數(shù)油輪和散貨

9、船滿足該衡準(zhǔn)。因此我們可以確定，集裝箱船、汽車運輸船和滾裝船確實有參數(shù)橫搖的危險。表2 第一層衡準(zhǔn)判定結(jié)果船型Cm100Abk/(LB)RPRGM/GM通過或失敗C11級集裝箱船0.950.580.3563.03失敗汽車運輸船0.951.240.5394.44失敗283m長集裝箱船0.971.390.7605.64失敗滾裝船0.791.980.5935.35失敗客滾船0.892.240.6463.67失敗表3第二層衡準(zhǔn)判定結(jié)果船型CR值通過或失敗C11級集裝箱船0.159失敗汽車運輸船0.196失敗283米長集裝箱船0.101通過滾裝船0.039通過客滾船0.072通過第二層衡準(zhǔn)的結(jié)果展示在表

10、3中，顯示五個試驗船中的兩個船沒能通過第二層衡準(zhǔn)。這意味著一艘集裝箱船和兩艘滾裝船通過了第二層衡準(zhǔn)。這是因為它們有更大的舭龍骨面積（Hashimoto &Umeda，2010）。此外，滾裝船的中橫剖面幾乎是圓形的，而在衡量穩(wěn)性高變化的簡化方法中，假設(shè)船是直舷船，這可能會導(dǎo)致過高的估計了穩(wěn)性變化的幅度。因為C11級集裝箱船沒能通過第二層衡準(zhǔn)，所以為這艘船進行了在非規(guī)則迎頭浪中的時域數(shù)值模擬。此處。的有效波高為7.82米，極限周期為9.99秒，還采用了ITTC的長波波譜。結(jié)果展示在圖6中，結(jié)果顯示在傅氏數(shù)為6.0時最大橫傾角總平均值為26.4度。這一點支持第二層衡準(zhǔn)。因為這艘C11級集裝箱船在北太

11、平洋遭遇了穩(wěn)性喪失，第二層穩(wěn)性衡準(zhǔn)的第二小層有助于防止類似事故。本文中用到的汽車運輸船是典型的現(xiàn)代汽車運輸船，也被報告遭遇了嚴重的參數(shù)橫搖（Hua 等人。，2006），因此對汽車運輸船的判定應(yīng)該是合理的。這些船型在當(dāng)前海洋運輸中扮演基本角色，因此我們必須找到避免參數(shù)橫搖的設(shè)計方法。圖6 對C11級集裝箱船在非規(guī)則迎頭浪中進行時域數(shù)值模擬得到的最大橫傾角總平均值可能的設(shè)計方法首先，我們研究了增大舭龍骨面積的可能性。因為船舶優(yōu)良的船殼形狀，增長比龍是不實際的。因此，增大舭龍骨寬度可以是一個解決辦法。舭龍骨寬度的幾何約束可以通過型寬和吃水來確定。舭龍骨不能有任何部分超出由船底和船壁所劃定的矩形的范圍

12、，這十分重要。否則，在船舶停泊和駛?cè)氪a頭時，舭龍骨需要額外的照顧。因此舭龍骨的最大寬度可以根據(jù)圖7進行幾何計算得到。雖然對于減少參數(shù)橫搖而言更大一些的舭龍骨面積更好，但是這會增加船舶的推進能量消耗。因為舭龍骨是船體濕表面面積的一部分，濕表面面積和對船的摩擦阻力有影響。推進能量消耗的增加在船舶設(shè)計中應(yīng)該最小化。第二，應(yīng)該對集裝箱船的困索系統(tǒng)增強進行研究。如果安裝雙層困索系統(tǒng)，30度的橫傾角應(yīng)該是可以接受的（de Kat，2012）。類似的，對于汽車運輸船，汽車困索系統(tǒng)是關(guān)鍵角色。在北太平洋的PCTC“Courage Ace”的事故中，裝載的車輛甚至在橫傾角80度的時候都沒有移動（Umeda，20

13、06）。因此，對于具備良好的困索系統(tǒng)的集裝箱船增大許用橫傾角似乎是合適的。設(shè)計方法的影響考慮到上面提到的設(shè)計約束，在不同的舭龍骨寬度和許用橫傾角下，對C11級集裝箱船和汽車運輸船在第二層衡準(zhǔn)草案中的C2值進行計算，計算結(jié)果展示在圖8和圖9中。此處圖例之中舭龍骨面積最小的值代表了實際的設(shè)計。增阻力隨著舭龍骨尺寸增加而增加，圖10做了展示。圖7 決定最大舭龍骨寬的幾何求解視圖當(dāng)舭龍骨面積尺寸增加時，或者許用橫傾角增加時，參數(shù)橫搖的第二層衡準(zhǔn)中的C2值減小。如果保持25度作為許用橫傾角，非常小的舭龍骨尺寸增加就足以實現(xiàn)汽車運輸船對衡準(zhǔn)的滿足。而且結(jié)果僅僅增加0.4%的推進能量消耗，所以這是一個經(jīng)濟上

14、可行的解決辦法。然而，對C11級集裝箱船而言，這個解決辦法會導(dǎo)致1.6%的推進能量消耗，所以該方案也許不可行。如果我們采用雙層捆索系統(tǒng)和30度作為許用橫傾角，由舭龍骨引起的耗能增加可以是0.5%，這樣的方案也不是不切實際的。圖8 C11級集裝箱船舭龍骨面積和許用橫傾角對CR值的影響圖9汽車運輸船舭龍骨面積和許用橫傾角對CR值的影響C11級集裝箱船（C11）和汽車運輸船（PCC）舭龍骨面積增加導(dǎo)致的阻力增加圖11C11級集裝箱船在不規(guī)則浪中最大橫傾角的總平均值（紅色（左側(cè)）：目前的設(shè)計；（藍色（右側(cè)）：改進設(shè)計第三層衡準(zhǔn)的數(shù)值模擬檢驗為了驗證C11級集裝箱船第二層衡準(zhǔn)的結(jié)論，為第三層衡準(zhǔn)我們進行

15、了時域數(shù)值模擬，模擬中增加了0.88%的舭龍骨面積。該模擬的有效波高為7.82米，極限波浪周期為9.99miao，采用ITTC的長峰波波普。在圖11顯示的結(jié)果表明基于第二層衡準(zhǔn)的舭龍骨面積增加，明顯低減少了參數(shù)橫搖的幅度。因此基于第二層衡準(zhǔn)的舭龍骨設(shè)計是有效的。從第三層衡準(zhǔn)直接數(shù)值模擬獲得的幅度比在第二層獲得的小。這個事實也表明第二層衡準(zhǔn)比第三層衡準(zhǔn)更保守。結(jié)論通過對第二層衡草案準(zhǔn)使用概率計算方法，作者檢驗了兩種設(shè)計方案，一種是增加舭龍骨尺寸另一種是根據(jù)捆索布置增加許用橫傾角。使用的概率計算方法同時應(yīng)用了周期波中的橫傾運動分析解決方法和Ikeda的簡化方法。結(jié)果顯示基于雙層捆索的許用橫傾角方案

16、中，增大舭龍骨面積所導(dǎo)致的能量消耗可以忽略不計。這個結(jié)論在第三層衡準(zhǔn)的計算以及在隨機海浪的數(shù)值模擬模型中得到確認。鳴謝本研究由Giant-in Aid for Scientific Research of the Japan Society for Promotion of Science (No.24360355)資助。它作為Goal-Based Stability Project of Japan Ship Technology Research Association 在2012財年的研究活動部分開展。由Nippon Foundation提供資金。參考目錄De Kat, J.O. (20

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