張耀，王凱，楊帥，陳晨，費宇庭，侯國祥

1華中科技大學船舶與海洋工程學院，湖北武漢430074 2中國艦船研究設計中心，湖北武漢430064

基于船舶耐波性評價的型線優(yōu)化

張耀1，王凱1，楊帥2，陳晨1，費宇庭1，侯國祥1

1華中科技大學船舶與海洋工程學院，湖北武漢430074 2中國艦船研究設計中心，湖北武漢430064

船舶耐波性是評價船舶性能的一個重要指標。隨著船上裝備的精密儀器與武器系統(tǒng)越來越多，如何保證這些系統(tǒng)平穩(wěn)正常地工作是每一個船舶設計者所關心的問題。然而船舶耐波性與快速性是一對矛盾的指標，為了解決這一問題，合理確定耐波性評價指標是關鍵因素之一。通過船模試驗得到人們最關心的5個耐波性指標數(shù)據(jù)：縱搖幅值、升沉幅值、船艏加速度、船舯加速度和船艉加速度，并以此來評價船舶的耐波性能。在保證波浪增阻小于某一閾值的情況下進一步對船舶型線進行改進，以期提高船舶耐波性。同時，為了保證試驗的準確性，將船模在不規(guī)則波試驗中的運動響應結(jié)果與通過規(guī)則波試驗的預報值進行對比，結(jié)果表明：改進后的5個船舶耐波性指標數(shù)據(jù)均有所減小，達到了設計目標。

球鼻艏；船模試驗；不規(guī)則波；運動響應

0 引 言

在民用船舶設計中，出于經(jīng)濟利益的考慮，快速性往往是船舶設計者首要考慮的問題。近年來，隨著人們對船員生活條件的重視以及對貨物損毀問題的研究，耐波性問題逐漸受到人們的重視。有研究表明，集裝箱船橫搖幅值過大是導致貨物損毀的重要原因之一。對于軍船而言，為了保障各武器系統(tǒng)的正常運行，船舶六自由度的運動幅值與加速度必須限制在一定的范圍內(nèi)?？紤]到軍船的主機儲備功率較大，快速性不難達到設計目標，船舶耐波性甚至超過快速性成為船舶設計時首要考慮的設計指標。船舶耐波性是船舶在波浪中運動特性的統(tǒng)稱。對于商船而言，船舶耐波性［1］是指船舶在波浪擾動下，產(chǎn)生各種搖蕩運動、砰擊、甲板上浪、失速、螺旋槳出水以及波浪彎矩等情況下，仍能夠維持一定航速，且在波浪中安全航行的性能。對于軍船而言，我國海軍明文規(guī)定“耐波性是指艦艇在一定海況下具有適當?shù)呐烍w運動環(huán)境，以保證人員及各種武器、系統(tǒng)和其他裝備能正常工作的能力”?？偠灾?，耐波性主要關注船舶在波浪中的運動響應參數(shù)：縱搖幅值、橫搖幅值、升沉幅值、船艏加速度，船舯加速度以及船艉加速度。

在以耐波性為主要評價指標的船舶設計中，如何評價耐波性的好壞是首先要解決的問題。戴仁元等［2］認為可以通過作業(yè)時間百分數(shù)來評價船舶耐波性的好壞。作業(yè)時間百分數(shù)是指船舶在波浪中能夠正常作業(yè)的時間與船舶在靜水中能夠正常作業(yè)的時間之比。其主要思想就是依據(jù)經(jīng)驗或計算船舶在設計海況下的運動響應幅值，根據(jù)所設定的閾值判斷船舶能否正常工作，并以此來計算船舶正常工作的時間。該方法的主要優(yōu)點在于以船舶的實際使用情況來判斷耐波性的好壞，既直觀又實用。遺憾的是，如何準確計算船舶在波浪中的運動響應是一個較大的挑戰(zhàn)，而經(jīng)驗公式需要大量的實船測試數(shù)據(jù)，不能很好地預報各類船型的響應情況。與此同時，日本學者嘗試通過航行記錄儀來記錄實船在波浪中的運動響應，以此來評估船舶的耐波性［3］。早在1964年，日本學者就通過大風浪高速航行的實船試驗得到了1艘貨船在各種航速條件下的縱搖值和船艏垂向加速度所能忍受的極限值。從1990年開始，日本東京商船大學從1990年開始，通過在1艘日本—北美—東南亞航線的集裝箱船上安裝航行資料自動記錄系統(tǒng)，得到了大量的船舶在不同海況、不同裝載下的運動特征量響應值的實際資料，并以此計算出了包括如有義波高與各船舶運動特征量的相關系數(shù)。該方法得到的數(shù)據(jù)準確可靠，且能夠指導船舶在航行中運動姿態(tài)的調(diào)整。但是，該方法的成本較高，不適合大規(guī)模使用，而且只能檢驗船舶的耐波性而不能預報，在船舶設計中僅對母型改造有參考價值。熊文海［4］針對上述研究存在的不足提出建立綜合的耐波性方程來評估大風浪中船舶的安全性。其主要思想是在考慮了耐波性的諸多方面后，確定出每一個因素的臨界狀態(tài)值，然后提出船舶耐波性的評估方程，評估船舶在風浪中的安全性。從理論上說，沈華等［5-6］認為該方法非常全面，能夠反映船舶的整體耐波性能，但是由于實際計算中各個因素的作用規(guī)律與相互之間的干擾很難確定，所以該方法沒有能夠得到廣泛使用。目前，一種新的模糊綜合評價方法得到了很多研究人員的關注［7-9］。國內(nèi)外的一些學者根據(jù)船舶耐波性的實測數(shù)據(jù)或者經(jīng)驗值，通過模糊綜合評價理論將耐波性的評價問題變?yōu)槎鄿蕜t的系統(tǒng)問題。該方法較之綜合耐波性方程方法有著更好的實用性，是目前研究的熱點之一［10］。

實際上，通過船模試驗方法來評價船舶的耐波性能是一種非常實用的方法［11-12］。該方法與實船試驗相比成本較低，且能夠在船型設計階段就起到很好的預報和指導作用，更重要的是，該方法的測試結(jié)果較為準確，比起經(jīng)驗預報值或者理論計算值有更好的可信度。在船舶航行過程中，往往1個或者幾個指標是設計工作者所重點關注的，船模試驗可以突出這些指標的作用。

1 試驗理論

1.1 耐波性試驗理論基礎

船模在拖曳水池中進行的規(guī)則波試驗所測量的響應值：升沉值Z、縱搖角θ、垂向加速度a以下列無因次化形式表達：

式中：Za為升沉幅值；θa為縱搖幅值；aa為加速度幅值；ξa為波幅；Lm為船長；k為波數(shù)；g為重力加速度。

以波長船長比（λ/L）為橫坐標，以上各項為縱坐標繪制出無因次響應曲線［12］，并將試驗結(jié)果進行不規(guī)則波中的響應統(tǒng)計特性譜分析，做統(tǒng)計預報，其表達式為

式中：mn為搖蕩響應譜n階譜矩，采用梯形積分計算；ωe為遭遇頻率，ωe=ω-ω2Vcosβ/g，ω為風浪自然頻率，上式積分區(qū)間由波譜和試驗波長決定，本次計算頻率截斷ω：0.2～2.0 s-1；β為浪向角（定義β=180°為頂浪），V為航速；Yyζ(ωe)為頻率響應函數(shù)，由規(guī)則波試驗響應曲線求得；Sζ(ω)為本次預報采用的ITTC雙參數(shù)海浪譜（1969年第12屆國際船模水池會議推薦），其譜密度函數(shù)（單位為m2·s）為

式中：ξw1/3為有義波高，m；為波浪的特征周期，s，m0，m1為海浪譜對原點的零階矩和一階矩。海浪等級與其特征參數(shù)如表1所示。

表1 海浪等級及特征參數(shù)Tab.1 Wave level and characteristic parameters

有義波高ξw1/3由北半球大西洋海浪的統(tǒng)計資料查表而得，在有義波高ξw1/3和譜峰周期TP為特征參數(shù)表征海浪時，平均周期T1與譜峰周期TP之間的關系，采用以下公式表示

在不規(guī)則波試驗中，拖曳水池六單元沖箱式造波機亦使用第12屆ITTC雙參數(shù)海浪譜參數(shù)造波，模擬有義波高ξw1/3=3.25 m，波浪特征周期為T1=7.49 s的統(tǒng)計海浪譜。對模型進行迎浪、縱向運動兩維不規(guī)則波試驗。通過試驗測量相應海況下船?？v搖、升沉、艏舯艉3點垂向加速度的有義值并預報實船的值。

1.2 耐波性試驗準備

1）船模重心縱向位置調(diào)整（圖1）。

圖1 船模重心調(diào)整示意圖Fig.1 Adjustment of ship's center of gravity

船模稱重并配載至要求重量，船模重心縱向位置嚴格按各狀態(tài)水線調(diào)整。

2）船模重心垂向位置調(diào)整（圖1）。

在船模上設置調(diào)整軸（刀口），軸中心為O點。先將船模調(diào)平，再移動一塊重物P，移動距離為l，則船模繞調(diào)整軸傾斜，傾角為則

式中：OA為測量點距軸中心O的距離；AA′為測量點在移動重物前后的高度差；Dm為船模排水量。

因此，重心距基線高度為

調(diào)整時，若算得重心高不滿足在設計重心高±1%變化范圍內(nèi)的這一要求，則反復調(diào)整配載垂向高度直至符合要求。

3）船模橫向質(zhì)量慣性矩調(diào)整。

將上述調(diào)整后的船模繞調(diào)整軸（橫軸）搖蕩，用秒表測其搖蕩周期T，則可求得船模橫向質(zhì)量慣性矩

如果所求Ix與要求的不符，則以O軸為中心，橫向?qū)ΨQ移動配載，并保持高度不變以改變搖蕩周期T，直至符合要求為止。

4）測量點位置。

運動參數(shù)測量點分別為：陀螺儀設置在船模重心處；測距儀對準船模重心；加速度儀分別為船艏加速度儀（19站）、船舯加速度儀（重心處）、船艉加速度儀（0站）。

2 優(yōu)化目標與型線改進

2.1 船舶主要參數(shù)

試驗用模型均為木質(zhì)模型，表面打磨、抹灰、噴漆、拋光，模型內(nèi)部進行了防漏水處理。船?？s尺比為1∶45，實船與進行耐波試驗時的船模的主要參數(shù)如表2所示。需要說明的是，之所以采用這個縮尺比主要考慮以下2個因素：一方面是從耐波性試驗的角度考慮縮尺比需要偏小，以保證試驗不規(guī)則波的波高不至于使船模傾覆；另一方面從阻力試驗的角度縮尺比應盡量接近1，以保證阻力測試的準確性。綜合上述2個原因，在保證船舶不至于傾覆的情況下使得縮尺比盡量大，最終選用該縮尺比。

表2 實船的主要參數(shù)Tab.2 The main parameters of ship

2.2 優(yōu)化目標與改進方案

根據(jù)本船的使用需求，改進目標是在船舶阻力增加不超過10%的情況下，通過測試縱搖幅值、升沉幅值、船艏加速度值（19站）、船舯加速度值（船舶重心處）和船艉加速度值（0站）這5個指標來評價該船的耐波性能好壞，改進后的船舶這5項指標在運動響應峰值處均減小10%以上。

本船改進方案在于附體的變化（圖2～圖3），通過增加球鼻艏和舭龍骨來增強船舶耐波性以及盡量減小阻力，代表球鼻艏幾何特征形狀的參數(shù)（與船體主尺度相比，已經(jīng)無因次化）如表3所示；舭龍骨參數(shù)如表4所示。

圖2 原船型線Fig.2 The hull lines

圖3 改進后型線Fig.3 The optimized hull lines

表3 球鼻艏參數(shù)Tab.3 The parameters of bulbous

表4 舭龍骨參數(shù)Tab.4 The parameters of bilge keel

3 試驗結(jié)果分析

3.1 靜水阻力試驗

船舶靜水阻力試驗表明，改型后盡管濕表面積和排水量稍有增加，但是船模的總阻力增量最大不超過7%，而且在設計航速下（25 kn，對應船模速度1.92 m/s）的阻力增量不超過4%，很好地滿足了設計目標的第1個條件，阻力增加不超過10%。圖4為船模阻力曲線，表5為船模阻力試驗數(shù)據(jù)，其中R1為改型前的靜水阻力，R2為改型后的靜水阻力。

圖4 船模阻力曲線Fig.4 Resistance curves of model test

表5 船模阻力試驗數(shù)據(jù)Tab.5 Resistance data of model test

3.2 耐波性指標評價

為了充分比較船模改型前、后的性能好壞，進行了2個設計航速（18和25 kn）下船模運動響應試驗情況的對比分析，試驗結(jié)果如圖5～圖6所示。

從圖5和圖6可以看出，對于最關心的縱搖運動響應曲線，在試驗所測波長范圍內(nèi)，航速為18 kn時，縱搖運動幅值的峰值在波長船長比λ/L=1.41左右，其峰值減小13.4%；25 kn時，出現(xiàn)在λ/L= 1.68左右，其峰值減小12.5%；在長波范圍內(nèi)其減搖效果也非常明顯，可達7%以上，說明這一指標達到了設計目標。

圖5 無因次縱搖響應曲線（18 kn）Fig.5 Non-dimensional pitch curves（18 kn）

圖6 無因次縱搖響應曲線（25 kn）Fig.6 Non-dimensional pitch curves（25 kn）

表6和表7是規(guī)則波船模在迎浪18 kn和25 kn時運動響應試驗數(shù)據(jù)（均已按第1節(jié)中耐波性試驗理論公式無因次化），從表中可以看出，在波長較大的情況下，改型后的垂蕩幅值與波幅之比甚至要大于改型之前的比值，但這并不意味著改型失敗。船舶在不規(guī)則波中的運動響應可以由規(guī)則波運動響應曲線來預報，由于不規(guī)則波各個波長能量密度不一樣，海浪譜密度函數(shù)存在峰值，且在峰值外衰減到趨于零的速度非?？?，所以盡管有些波長下的響應幅值不滿足設計要求，但是總體的響應滿足設計要求。在設計航速18和25 kn的情況下，通過規(guī)則波預報5，6級海況下迎浪各狀態(tài)的縱搖幅值、升沉幅值、加速度幅值如表7所示（表中，α1~α3分別代表艏、舯、艉無因次化加速度值）。

表6 規(guī)則波船模迎浪運動響應試驗數(shù)據(jù)（實船18 kn航速）Tab.6 The model test data of ship motion in regular waves(ship speed is 18 kn)

表7 規(guī)則波船模迎浪運動響應試驗數(shù)據(jù)（實船25 kn航速）Tab.7 The model test data of ship motion in regular waves(ship speed is 25 kn)

圖7和圖8是改型后的船舶在5，6級海況下通過規(guī)則波試驗值預報的運動幅值相對于改型前船舶運動響應預報值的減小量百分比?？梢钥闯?，在18和25 kn航速時，縱搖值和加速度值可以減小15%左右，效果非常明顯。因此加裝球鼻艏和舭龍骨后船舶的耐波性有了較大提升，達到了設計要求。

圖7 規(guī)則波預報值增量圖（18 kn航速）Fig.7 Forecast values in regular wave（18 kn）

圖8 規(guī)則波預報值增量圖（25 kn航速）Fig.8 Forecast values in regular wave（25 kn）

3.3 規(guī)則波預報值與不規(guī)則波試驗值對比

船模不規(guī)則波試驗首先要確定試驗波譜，如前文所述，模型試驗中采用12屆ITTC雙參數(shù)海浪譜，不規(guī)則波模擬有義波高為3.25 m，對應的波浪特征周期為7.49 s的統(tǒng)計海浪譜。經(jīng)過測試分析，試驗波譜與標準海浪譜如圖9所示。可以看出，試驗波譜與標準海浪譜在譜面積、峰值等主要參數(shù)上都非常接近，可以判斷該海浪譜滿足試驗要求。通過試驗數(shù)據(jù)分析軟件處理，可以直接得到船模在不規(guī)則波中的運動響應值。

圖9 試驗波譜與標準海浪譜Fig.9 Experimental spectrum and standard spectrum

表8為改型后的船模在不規(guī)則波中的運動響應測試值與規(guī)則波試驗預報值之間的對比，不難看出測試值與預報值非常接近，其中偏差最大的是18 kn航速下的縱搖幅值，規(guī)則波預報值相對不規(guī)則波測試值小7%。這一現(xiàn)象可以說明試驗值基本可靠。

表8 規(guī)則波預報值與非規(guī)則波試驗值比較Tab.8 Comparison of regular wave forecasting and irregular wave experiment

4 結(jié) 語

通過試驗測試表明，改型后的船舶在阻力增加不超過閾值的情況下，耐波性能得到了較大的提升，10個測試值中，9個均滿足設計要求，僅有1個略低于設計指標?？梢耘袛?，球鼻艏和舭龍骨對于該船型的耐波性能有較大提升。不規(guī)則波試驗結(jié)果與規(guī)則波預報值的對比表明，在不具備不規(guī)則波試驗的條件下，通過規(guī)則波試驗來預報船舶在不規(guī)則波上的運動響應是可行的，這將極大降低試驗成本，為耐波性評估提供另一種合理的選擇。

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［責任編輯：胡文莉］

Hull lines optimization based on the evaluation of seakeeping performance

ZHANG Yao1，WANG Kai1，YANG Shuai2，CHEN Chen1，F(xiàn)EI Yuting1，HOU Guoxiang1
1 School of Naval Architecture and Ocean Engineering，Huazhong University of Science and Technology，Wuhan 430074，China 2 China Ship Development and Design Center，Wuhan 430064，China

The seakeeping performance of ships is an important index of evaluating ship performance. With an increasing number of instruments and weapons systems being used in shipbuilding,the issue con?cerning how to keep these systems working is of vital importance to ship designers.However,as the ship's seakeeping performance is contradictory with its speed performance,a reasonable evaluation scheme of the seakeeping performance is essential.In this paper,five sets of data of the sea-keeping performance that re?ceive most attention-pitch amplitude,heave amplitude,acceleration in the bow,the amidships,and the stern-are obtained through model tests.The hull lines are then optimized to improve the sea-keeping per?formance with the added resistance being limited within a certain threshold.Meanwhile,in order to ensure the accuracy of the tests,the response of ship motion in irregular waves is compared with the experimental values,and results show that the five indicators for sea-keeping performance of modified ships are success?fully optimized to meet the design goals.

bulbous bow；ship model test；irregular wave；ship motion

U661.32

A

10.3969/j.issn.1673-3185.2015.06.002

http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1755.TJ.20151110.1025.004.html期刊網(wǎng)址：www.ship-research.com

張耀，王凱，楊帥，等.基于船舶耐波性評價的型線優(yōu)化［J］.中國艦船研究，2015，10（6）：8-14. ZHANG Yao，WANG Kai，YANG Shuai，et al.Hull lines optimization based on the evaluation of seakeeping performance［J］.Chinese Journal of Ship Research，2015，10（6）：8-14.

2015-05-11 < class="emphasis_bold"> 網(wǎng)絡出版時間：

時間：2015-11-10 10:25

國家自然科學基金資助項目（51475179）

張耀，男，1991年生，碩士生。研究方向：船舶與海洋結(jié)構(gòu)物設計制造。E-mail：zhangyao_hust@163.com侯國祥（通信作者），男，1972年生，教授，博士生導師。研究方向：高性能船型開發(fā)。E-mail：houguoxiang@163.com