陳恒強(qiáng)，池海峰

(中國船級社鎮(zhèn)江辦事處，江蘇 鎮(zhèn)江 212008)

0 引言

船舶抗沉性，又稱不沉性，是指船舶在一艙或相鄰多艙破損進(jìn)水后，仍能保持一定的浮性和穩(wěn)性的能力［1］;是關(guān)系到船舶安全的一個重要性能。船舶具有良好的抗沉性，標(biāo)志船艙進(jìn)水后仍能保持漂浮在水面上并能保持船舶良好的操縱性。

目前，破艙穩(wěn)性的計算基本上全部是電算法進(jìn)行，能夠計算(或部分計算)破艙穩(wěn)性的軟件，主要有 NAPA、Tribon、Damcargo等［2］，只是在船舶初步設(shè)計中選擇幾種破艙狀態(tài)，進(jìn)行破艙穩(wěn)性預(yù)算。而船舶實際航行中，破艙進(jìn)水的狀態(tài)具有不確定性等特點。目前船舶裝載儀軟件能夠計算破艙后的穩(wěn)性及浮態(tài)參數(shù)［3］，但是該系統(tǒng)只是進(jìn)行預(yù)先選擇的整艙破損的穩(wěn)性計算。本系統(tǒng)是利用高精度液位測量儀［5］，對破艙進(jìn)水后的船首、船尾、船中吃水值及各破損艙室進(jìn)水情況進(jìn)行實時測量后，自動進(jìn)行破艙穩(wěn)性的實時計算;若此時受到定值陣風(fēng)風(fēng)力橫向作用，也可以進(jìn)行穩(wěn)性的實時衡準(zhǔn)，通過改變航區(qū)或者調(diào)整壓載水的方法來保證船舶的安全航行。

1 系統(tǒng)整體組成框圖

本系統(tǒng)主要由船舶液位測量儀、傳感器、上位機(jī)(計算軟件)等組成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，圖中，1為船殼;2、3、5分別為首、中、尾吃水傳感器;4為液艙(或破損艙室)吃水傳感器;6為信號電纜。

圖1 系統(tǒng)整體組成框圖

2 系統(tǒng)主要硬件結(jié)構(gòu)

2.1 液位測量儀

液位測量儀采用時域脈沖反射技術(shù)。其組成部件有:傳感器、信號發(fā)生器、信號控制電路、A/D轉(zhuǎn)換器、微處理器等。通過發(fā)射與接收脈沖信號之間的時間差，得到液位精確的高度。

2.2 A/D轉(zhuǎn)換器選擇應(yīng)用

本系統(tǒng)選用USB2.0數(shù)據(jù)采集板，相對于PCI、ISA、USB等接口形式，且可以對外提供2.5 W的電源，不需要外部供電。其平均數(shù)據(jù)傳輸速度為38 MB/S，滿足本系統(tǒng)的技術(shù)要求。

3 軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

整個軟件系統(tǒng)，以Windows XP為操作平臺，Borland Delphi6.0為開發(fā)工具，Table Server作為數(shù)據(jù)庫引擎(DE)［6］。基于TDR的船舶完整穩(wěn)性及抗沉性實時監(jiān)控系統(tǒng)中的軟件系統(tǒng)流程框圖見圖2。

圖2 軟件系統(tǒng)流程圖

4 系統(tǒng)功能組成

本系統(tǒng)針對選定船型進(jìn)行設(shè)計開發(fā)，主要包含以下幾個功能模塊。

4.1 液位測量系統(tǒng)模塊

脈沖發(fā)射法液位測量系統(tǒng)可以滿足船舶液位測量測點多、傳感器靈敏度高、誤差小、體積小、易安裝、抗靜電抗干擾能力強(qiáng)等要求［7］;利用時域脈沖發(fā)射技術(shù)已設(shè)計的船舶液位測量系統(tǒng)，測量絕對誤差 ±1 mm，結(jié)構(gòu)簡單安全，精度高，測量范圍最大為15 m，可靠性強(qiáng);故本系統(tǒng)采用時域脈沖發(fā)射法的船舶液位測量系統(tǒng)。

利用此高精度的液位測量儀，實時測得的船舶在破艙狀態(tài)下的首吃水dF，尾吃水dA，船中左舷吃水dL，船中右舷吃水dR值及進(jìn)水艙室液位高度的情況，動態(tài)顯示船舶在各種破損狀態(tài)下和航行時的船舶姿態(tài)參數(shù)。

4.2 船型曲線模塊

根據(jù)船體型值表計算并顯示船型曲線，主要包括:靜水力曲線、邦戎曲線、符拉索夫曲線、靜穩(wěn)性曲線、動穩(wěn)性曲線。運用數(shù)值積分法進(jìn)行計算，并列成相應(yīng)的表格形式進(jìn)行自動計算。

4.3 破艙狀態(tài)下的浮態(tài)及穩(wěn)性計算模塊

根據(jù)液位測量儀實時測得的船舶破損浮態(tài)下的部分浮態(tài)參數(shù):dF、dA、dL、dR，并動態(tài)計算、視屏顯示該狀態(tài)下船舶的浮態(tài)及穩(wěn)性參數(shù)。破艙穩(wěn)性計算模塊分為:第一類艙室進(jìn)水，第二類艙室進(jìn)水，第三類艙室進(jìn)水三種。前兩類的浮態(tài)及穩(wěn)性計算理論采用增加重量法較方便，第二類是在第一類的計算基礎(chǔ)上加上自由液面對穩(wěn)性的影響;第三種的采用損失浮力法較簡單。因為第三類艙室進(jìn)水后對于船舶浮態(tài)和穩(wěn)性的影響最壞，現(xiàn)以第三類艙室進(jìn)水狀態(tài)為例，加以方法簡述:根據(jù)上述的dF、dA，先計算出各站的船中吃水dMi，再根據(jù)橫傾角計算出各站的左右舷吃水dLi、dRi，代入符拉索夫曲線中，插值計算出各站的橫剖面一半的面積ASx，以及此面積對中線面 Mxoz、基平面的靜矩 Mxoy后，根據(jù)計算公式［8］:

在程序中運用二維數(shù)組進(jìn)行插值得出Asx、Mxoz、Mxoy，然后運用數(shù)值積分法進(jìn)行計算得出上述浮態(tài)參數(shù)，并列成相應(yīng)的表格形式進(jìn)行計算。

4.4 破艙狀態(tài)下的穩(wěn)性衡準(zhǔn)模塊

該模塊的功能是:根據(jù)上述船舶破損進(jìn)水狀態(tài)下的浮態(tài)及穩(wěn)性參數(shù)的實時計算結(jié)果，如橫傾角Φ已知，在給定定值陣風(fēng)風(fēng)力F橫向作用下，運用穩(wěn)性衡準(zhǔn)系數(shù)法對船舶破艙穩(wěn)性進(jìn)行衡準(zhǔn)，實現(xiàn)船舶在破艙進(jìn)水后，且受到定值陣風(fēng)風(fēng)力橫向作用下的穩(wěn)性實時衡準(zhǔn);當(dāng)穩(wěn)性不滿足時，可以改變航區(qū)或者調(diào)整壓載水保證船舶的安全航行。如算例中的穩(wěn)性調(diào)整就是將航區(qū)從遠(yuǎn)海航區(qū)改為近海航區(qū)即滿足穩(wěn)性要求。衡準(zhǔn)前先求出最小傾覆力臂和風(fēng)壓傾斜力臂，前者可通過動穩(wěn)性曲線插值取得，后者根據(jù)風(fēng)壓傾斜力臂公式［1］算得。兩者之比即為穩(wěn)性衡準(zhǔn)系數(shù)K，應(yīng)符合下式要求:K≥1，表示風(fēng)壓傾斜力矩小于使船舶傾覆所必須的最小傾覆力矩(至多是相等)，所以船舶不至于傾覆，因而認(rèn)為具有足夠的穩(wěn)性，即航行安全。

5 具體算例

本算例選用某12300 t滾裝船作為研究對象，船舶主要量度:

針對此滾裝船開發(fā)設(shè)計的船舶完整穩(wěn)性及抗沉性實時監(jiān)控系統(tǒng)的主界面，如圖3所示。

船舶破艙狀態(tài)下的浮態(tài)及穩(wěn)性計算結(jié)果輸出，如圖4所示。

船舶破艙狀態(tài)下的穩(wěn)性衡準(zhǔn)及穩(wěn)性調(diào)整結(jié)果，如圖5所示。計算風(fēng)壓［9］可由公式 p=0.7356V2算得，其中P為風(fēng)壓，V為風(fēng)速。

圖3 完整穩(wěn)性及抗沉性實時監(jiān)控系統(tǒng)主界面

圖4 第三類艙室破損后的浮態(tài)及穩(wěn)性計算結(jié)果視屏輸出

圖5 破損穩(wěn)性衡準(zhǔn)

6 結(jié)語

通過對船舶完整穩(wěn)性及抗沉性計算的分析研究，結(jié)合液位測量儀，開發(fā)了船舶完整穩(wěn)性及抗沉性實時監(jiān)控系統(tǒng)的軟件。該軟件具有界面友好、人機(jī)交互性良好、資料性強(qiáng)、計算速度快、易于船舶在實際航行中不確定破損狀態(tài)的穩(wěn)性實時監(jiān)控，也可以用于船舶初步設(shè)計的破艙穩(wěn)性預(yù)算。本系統(tǒng)可通過對大型船舶的裝載及航行姿態(tài)進(jìn)行實時測量，進(jìn)行任意破艙狀態(tài)下的穩(wěn)性計算;也可進(jìn)行受到定值陣風(fēng)風(fēng)力橫向作用下時的穩(wěn)性校核;當(dāng)穩(wěn)性衡準(zhǔn)不滿足時，通過自身壓載艙的調(diào)整或改變其航區(qū)保證其航行安全。因此，對于大型船舶的設(shè)計有著重要的現(xiàn)實理論指導(dǎo)意義;同樣有利于船長在航行指揮中做出正確的決策。

［1］李盛邦，劉應(yīng)中.船舶原理［M］.上海:上海交通大學(xué)出版社，2003.

［2］向溢，李輝.船舶破艙穩(wěn)性計算概述［J］.廣船科技，2003，(2):5－8.

［3］高家鏞.船舶穩(wěn)性研究的現(xiàn)狀及展望［J］.上海造船，2003，(1):15－18.

［4］蔣志勇，姚震球，王志東.船舶裝載與穩(wěn)性監(jiān)測系統(tǒng)研究［J］.船舶工程，2001，(5):34 －36.

［5］耿軍偉，姚震球，王建華.基于Delphi的船舶液位測量系統(tǒng)的軟件設(shè)計與實現(xiàn)［J］.造船技術(shù)，2004，(6):34－36.

［6］蔣方帥.Borland Delphi程序設(shè)計［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2002.

［7］蔣志勇，柳存根，姚震球，王志東.脈沖反射法液位測量系統(tǒng)研究［J］.船舶工程，1997，(3):51－53.

［8］盛振邦，楊尚榮，陳雪深.船舶靜力學(xué)［M］.上海:上海交通大學(xué)出版社，1991.

［9］馮振玉.船舶滿足氣象衡準(zhǔn)數(shù)與抗風(fēng)級別的關(guān)系［J］.中國水產(chǎn)，2003，(8):70－72.