唐 哲

（中國船級社 青島分社，山東青島 266071）

騎浪橫甩薄弱性衡準技術(shù)的發(fā)展

唐 哲

（中國船級社 青島分社，山東青島 266071）

介紹了騎浪/橫甩的物理背景，以及騎浪/橫甩第一層和第二層薄弱性衡準發(fā)展過程，并分析了騎浪橫甩薄弱性衡準計算方法及初步衡準，掌握騎浪橫甩薄弱性衡準技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，有助于騎浪/橫甩相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的研究，為船舶第二代完整穩(wěn)性的技術(shù)發(fā)展奠定基礎(chǔ)。

騎浪；橫甩；衡準；薄弱性；技術(shù)；船舶

0 引言

船舶在隨浪或斜浪中航行時，波浪從船尾方向接近船舶，追上船舶后，加速船舶，使船舶的航行速度與波浪的傳播速度相同，這樣波形相對于船舶保持不變，稱之為騎浪現(xiàn)象。對于航向不穩(wěn)定的船舶，有可能突然偏轉(zhuǎn)，船舶將失去控制發(fā)生大幅度轉(zhuǎn)艏運動，同時伴隨大角度的橫搖運動，劇烈情況下將導(dǎo)致船舶傾覆，這就是船舶在波浪中運動發(fā)生橫甩現(xiàn)象。因此，研究橫甩的運動機理，指導(dǎo)船舶設(shè)計，對于船舶的安全航行具有重要意義。

1 騎浪/橫甩的物理背景

通常情況下，船舶在波浪中航行，發(fā)生橫甩現(xiàn)象主要有兩種可能：一種是由騎浪產(chǎn)生的橫甩，一般發(fā)生在高速情況下；另一種是航向穩(wěn)定性較差的船舶在尾浪或尾斜浪中遭受連續(xù)抨擊造成橫甩，這時可以通過合理操縱避免，這種情況下發(fā)生的橫甩現(xiàn)象在低速和高速下都有可能發(fā)生。第52屆SLF（漁船穩(wěn)性與裝載線）會議明確了由騎浪產(chǎn)生橫甩這種模式作為IMO第二代完整穩(wěn)性橫甩失效模式的研究目標。所以，騎浪作為發(fā)生橫甩的先兆，可以將其發(fā)生的可能性作為發(fā)生橫甩現(xiàn)象的薄弱性衡準的判定依據(jù)。

Vadim Belenky[1]給出了發(fā)生騎浪需要滿足的三個條件：1）波長約為船長的0.75~2.0；2）船舶的航行速度約為波浪傳播速度的75%（與波陡有關(guān)）；3）船舶不能太大（因為符合波長條件的波浪，其速度遠大于船速，而且符合波長和波陡條件的波浪比較罕見）。

2 “騎浪/橫甩”薄弱性衡準發(fā)展過程

2.1 第二代完整穩(wěn)性薄弱性橫準基本框架

第51屆SLF會議（漁船穩(wěn)性與裝載線）上，啟動了“新一代完整穩(wěn)性衡準”的制定工作，提出了新一代完整穩(wěn)性衡準的發(fā)展框架和目的，定義了新一代完整穩(wěn)性衡準中所用的術(shù)語，并成立了工作組和通訊組，分別負責會議期間和閉會期間新一代完整穩(wěn)性衡準的提案收集、討論、樣船驗證和制定。

在會議上提出制定新一代完整穩(wěn)性衡準的目的是建立船舶設(shè)計的最低標準，適用于非常規(guī)類型船舶主要的動穩(wěn)性失效模式，新一代完整穩(wěn)性衡準將作為2008 IS Code的補充和替代方法。會議上對兩種穩(wěn)性失效模式給出了定義：船舶傾覆導(dǎo)致的完全穩(wěn)性失效和過度橫搖角度或加速度導(dǎo)致的部分穩(wěn)性失效。同時給出了新一代完整穩(wěn)性衡準涉及的三種主要穩(wěn)性失效模式：1）復(fù)原力臂變化導(dǎo)致的穩(wěn)性失效模式，如參數(shù)橫搖和純穩(wěn)性喪失；2）SOLAS公約定義下的癱船穩(wěn)性；3）波浪中與操縱有關(guān)的穩(wěn)性失效，如橫甩。

第52屆SLF會議上，日本、意大利、美國和德國等國家對純穩(wěn)性喪失、參數(shù)橫搖、癱船穩(wěn)性和騎浪/橫甩 4種穩(wěn)性失效模式提出相應(yīng)的計算方法和衡準，并給出算例和對比分析，其中部分計算結(jié)果與模型試驗進行比較和驗證。在本次會議上，明確了采用三層結(jié)構(gòu)作為新一代完整穩(wěn)性的衡準技術(shù)框架，即采用第一層薄弱性衡準、第二層薄弱性衡準和穩(wěn)性直接評估。三層評估方法的計算復(fù)雜性依次遞增，評估的準確性也依次提高。只有第一層薄弱性衡準沒有通過的情況下，才要進行第二層薄弱性衡準的評估；在無法通過第二層薄弱性衡準時，進行第三層評估--穩(wěn)性直接評估。在三層衡準評估都無法通過時，必須對船型進行重新設(shè)計或制定航行操作指南，以避免穩(wěn)性失效的發(fā)生。

2.2 騎浪/橫甩薄弱性橫準技術(shù)發(fā)展

第53屆SLF會議上，日本和美國共同提出了發(fā)生騎浪的第一層和第二層薄弱性衡準[2]。

1）騎浪/橫甩第一層薄弱性衡準

如果船舶滿足以下條件，則認為船舶不易發(fā)生騎浪/橫甩：

Fn<0.3或者LBP>200m

2）騎浪/橫甩第二層薄弱性衡準

日本和美國針對于不規(guī)則波中的船舶運動，提出了騎浪/橫甩第二層薄弱性衡準，如下式所示。

其中：W2(HS, TZ)為短期海況的權(quán)重因子，是有義波高HS和平均跨零周期TZ的函數(shù)；Wij為波浪統(tǒng)計權(quán)重，與波陡(H/λ)i和波長與船長比(λ/LBP)i相關(guān)，通過計算局部波陡和波長的節(jié)點概率分布獲得。

第55屆SLF會議上，日本和美國分別提出了騎浪/橫甩第二層薄弱性衡準計算方法和衡準值。日本首先給出了騎浪/橫甩第二層薄弱性衡準計算方法，然后針對6艘不同類型的船舶開展了騎浪橫甩第二層薄弱衡準樣本計算[3]。

1）開展騎浪/橫甩第二層薄弱性衡準計算需要具備以下資料：（1）最大設(shè)計航速；（2）船舶的垂線間長；（3）船舶重量；（4）方形系數(shù)；（5）螺旋槳直徑；（6）浮心縱向位置；（7）縱蕩運動附加質(zhì)量；（8）不同航速下的靜水阻力；（9）螺旋槳推力減額，進速系數(shù)和推力系數(shù)。

2）波浪誘導(dǎo)的縱向力計算方法如下：

其中：ρ為海水密度；g為重力加速度，g=9.8m/s；ζa為波幅；λ為波長；k為波數(shù)，k=2π/λ；AE為船尾；FE為船首；經(jīng)驗系數(shù)μx用來考慮繞射影響，計算公式為：Cm≥0.9時，μx=1.46Cb-0.05；Cm<0.9時，μx=1.06Cb-0.05。

3）阻力系數(shù)ri和推力系數(shù)Ki采用最小二乘法求解：

4）發(fā)生騎浪所要求的臨界螺旋槳轉(zhuǎn)數(shù)，n采用以下計算方法：

5）靜水中船舶航速，通過靜水阻力與推力相等進行求解：

6）發(fā)生騎浪的短期概率計算方法如下：

其中：

S(H,T)表示平面(H,T)中u>u0的區(qū)域。這里，積分范圍：

7）發(fā)生騎浪的長期概率計算方法如下：

其中， f( H1/3,T01)是北大西洋有義波高和平均波浪周期的聯(lián)合概率密度函數(shù)。

8）騎浪/橫甩第二層薄弱性衡準值：

日本提出的第二層薄弱性衡準值為 10-4，如果Pan>10-4，表明發(fā)生騎浪/橫甩的概率較大，不滿足第二層薄弱性衡準。

第55屆SLF會議上，美國也提出了騎浪/橫甩第二層薄弱性衡準計算方法和衡準值。美國以第53屆 SLF會議上美國和日本共同提出的騎浪/橫甩第二層薄弱性衡準計算方法為基礎(chǔ)，提出第二層薄弱性衡準值，并進行樣船驗算[4]。

如果計算值CR>r，則認為船舶易發(fā)生騎浪/橫甩：

其中：W2為長期統(tǒng)計權(quán)重，由波浪分布表獲得；Wij為短期統(tǒng)計權(quán)重，與波高和波長有關(guān)；Crij為短期衡準。

1）短期統(tǒng)計權(quán)重因子Wij

Wij是波長為λi和波幅為aj的短期海況下的統(tǒng)計權(quán)重因子，通過計算短期海況下的節(jié)點概率分布獲得。換句話說，海況條件由不同波幅和周期/波長的波浪組成，并用給定的有義波高HS和平均跨零周期TZ描述，這些波幅和波長通過雙參數(shù)波能譜控制。為了獲得統(tǒng)計權(quán)重因子 Wij，按波長和波幅（Nλ和Na）劃分波能譜，計算每組波長和波幅對應(yīng)的波浪概率。

雙參數(shù)波能譜：

其中：ω為波頻；HS為有義波高；T1為平均頻率相應(yīng)的周期，T1=0.773Tm，Tm為波能譜的模態(tài)周期，。

波能譜可以確定波幅和波頻的短期節(jié)點分布（Longuet-Higgins，1957）：

2）短期衡準Crij

短期衡準Crij的計算公式如下：

其中，F(xiàn)nTR是騎浪臨界傅汝德數(shù)，使用Melnikov方法計算騎浪臨界值。

3）標準值r

騎浪/橫甩引起的穩(wěn)性失效具有短期概率的特性。也就是說，如果船舶遭遇能夠引起騎浪的波浪條件，穩(wěn)性失效可能發(fā)生也可能不發(fā)生，是否發(fā)生取決于騎浪持續(xù)的時間、航向和航速等。短期衡準Crij中假定：如果船舶遭遇能夠引起騎浪的波浪條件，穩(wěn)性失效一定發(fā)生。既然實際的穩(wěn)性失效具有概率特性，說明衡準Crij是保守的。

短期衡準Crij的保守性導(dǎo)致它是一個確定性函數(shù)，這個函數(shù)可以作為一個標準，用來篩選能夠引起騎浪發(fā)生的波浪。因此，衡準值CR也是穩(wěn)性失效的統(tǒng)計頻率。將統(tǒng)計頻率CR=0.05作為騎浪/橫甩第二層薄弱性衡準的初始標準。在統(tǒng)計檢驗中，0.05通常作為確定小概率事件的標準。相應(yīng)的，概率95%是大多數(shù)工程計算的實際標準置信概率。

由于日本和美國提出的騎浪/橫甩第二層薄弱性衡準的橫準值存在差異，美國和日本經(jīng)過研究和討論，于2013年10月又聯(lián)合提出了騎浪/橫甩第一層和第二層薄弱性衡準計算方法和衡準值[5]。在最新提交的聯(lián)合提案中，騎浪/橫甩第一層薄弱性衡準采用第53屆提出的方法。騎浪/橫甩第二層薄弱性衡準采用日本和美國聯(lián)合提出的方法。即：如果C<10-4，則認為不會發(fā)生騎浪/橫甩。

其中：W2(HS,TZ)短期海況的權(quán)重因子，是有義波高HS和平均跨零周期TZ的函數(shù)；Wij為波浪統(tǒng)計權(quán)重，與波陡(H/λ).i和波長與船長比(λ/LBP)i相關(guān)，通過計算局部波陡和波長的節(jié)點概率分布獲得，且N=100，Na=80；

3 結(jié)束語

本文給出了騎浪/橫甩的物理背景以及騎浪/橫甩第一層和第二層薄弱性衡準發(fā)展過程。給出了騎浪橫甩薄弱性衡準計算方法及初步衡準。由于IMO漁船穩(wěn)性與裝載線將繼續(xù)討論騎浪/橫甩薄弱性衡準第一層和第二層薄弱性衡準，最終的薄弱性衡準尚未確立。掌握騎浪橫甩薄弱性衡準技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，有助于騎浪/橫甩相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的研究，為船舶第二代完整穩(wěn)性的技術(shù)發(fā)展奠定基礎(chǔ)。

[1] Vadim Belenky, Christopher C, Bassler, et al. Development of Second Generation Intact Stability Criteria[R]. United States :Naval Surface Warfare Center Carderock Division, 2011.

[2] IMO. Levels 1 and 2 Vulnerability Criteria and Draft Specification for Direct Stability Assessment on the Matters Related to Manoeuvrability and Course Keeping Ability[C]// SLF 53/3/8. 2010.

[3] IMO.Sample Calculation Results of Draft Vulnerability Criteria for Broaching[C]// SLF 55/INF.15. 2012.

[4] IMO.Sample Calculations for Vulnerability Criteria on Surf-Riding, Level 2[C]// SLF 55/INF.15. 2012.

[5] Vulnerability Criteria for Broaching (US-JPN)[Z]. 2013.

Development of Surf-riding Broaching Vulnerability Criteria Technology

Tang Zhe
(Qingdao Branch, Chinese Classification Society, Shandong Qingdao 266071, China)

This article introduces the physical background and the vulnerability criterion development process for the first layer and the second layer of surf-riding/broaching. Also it analyzes the preliminary criteria and the vulnerability criteria method for calculating of surf-riding/broaching. Mastering the development state of this technology can be useful for the research of relative area, and would become the base for the second general criteria technology.

surf-riding; broaching; criteria; vulnerability; technology; ship

U661.2+2

A

1005-7560 (2014) 06-0009-04

唐哲（1980-），男，工程師，研究方向：船舶質(zhì)量檢驗和船舶質(zhì)量標準制定。