破損艦艇拖航中總縱強度的安全性分析

海軍工程大學 船舶與動力學院 武漢 430033

艦艇無法自力航行時拖帶安全十分重要。失事或戰損的艦艇如果發生船體破損，分析破損艦艇拖航安全除了要周密地進行拖帶相關計算外還要對破損艦艇的穩性、總縱強度進行必要的校核，根據拖帶航線上可能遭遇的氣象海況信息，找出最適合拖帶的航向航速，最大限度保證拖航過程中艦艇的安全。

1 求解艦艇波浪中垂向耦合運動

波浪中航行的艦艇垂向運動是垂蕩和縱搖耦合運動的結果，艦艇所承受的彎矩與此有關。Korvin-Kroukovsky切片理論能夠較好地解決該運動的問題，并可求得令人滿意的數值解。它的實質是將艦艇看成一系列橫向分段，如圖1所示，S0、S2、……S20為各肋骨站，相鄰剖面之間的流體沒有相互干涉，并假設每個切片的垂向運動由縱搖和垂蕩合成運動組成。通過對各個切片上的慣性力，流體靜力和阻尼力進行分析，導出艦艇運動的方程。

圖1 船體模型

1.1 破損艦艇波浪中的垂蕩和縱搖運動描述

圖2 波浪中垂蕩和縱搖運

(1)

bnwr——速度引起的流體阻尼；

cnzr——相對位移引起的流體靜力。

zr=z-ξθ-ζe-kz

(2)

假設遭遇的波浪是規則波，表示為：

ζ=ζasin(kξ-ωet)

(3)

ωe——遭遇波浪的圓頻率。

1.2 運動方程及求解

運動方程包括位移方程和角運動方程。

由(1)式并結合(2)、(3)式可導出位移方程。根據參考文獻[2]的相關結果可得到方程：

ξasin(kξ+ωet)e-kzcn

(4)

對(4)式沿船長積分可以得一般形式：

(m+az)z″+bz′+cz+dθ″+eθ′+hθ=F(t)

(5)

式中：m——質量；

az——附體質量；

b——垂蕩阻尼系數；

c——垂蕩復原力系數；

d、e、h——耦合項。

擾動力F(t)可表示為：

角運動方程的一般形式可表示為：

(Iyy+Ayy)θ″+Bθ′+Cθ+Dz″+Ez′+Hz

=M(t)

(6)

式中：Iyy——質量慣性矩；

Ayy——附體質量慣性矩；

B——縱搖阻尼系數；

C——縱搖復原力矩系數；

D、E、H——耦合項。

擾動力矩為：

用上述方法確定各系數后即可對垂蕩和縱搖運動寫成復數形式進而求出近似解：

(7)

(8)

式中：σ,δ——相位角；

za——垂蕩幅值；

θa——縱搖幅值。

2 破損艦艇在規則波中承受的總縱彎矩

2.1 艦艇規則波中的載荷

根據垂蕩和縱搖運動，對于沿船長每個切片所承受的載荷進行積分，就可以求得總縱彎矩近似的結果。在規則波中，破損艦艇在垂蕩與縱搖運動中承受的載荷來自于以下幾個方面[2]。

2)艦船在水中運動時，相對水速度引起的載荷，記為：

(9)

3)單位船長的質量包括附體質量在內和水流慣性質量所引起的載荷，記為：

an(z″-ξθ″+2uθ-ξ″e-kz)

(10)

4)由于波浪中壓力梯度的影響引起的載荷，記為

(11)

式中：ρ——海水密度；

Wn——寬度。

5)縱搖和垂蕩運動的影響下，浮力分布發生變化，引起的載荷，記為：

(12)

對上式進行積分，可以分別得到剪力和彎矩的方程[3]。

(13)

(14)

2.2 不同航向航速下被拖艦的船舯彎矩

考慮某受損艦船長110 m，劃分20站，破損位置在船舯附近8號肋骨站處，破損后消除了由不對稱進水產生的橫傾，拖帶過程中仍存在縱傾，艦艇的浮態經檢查平均吃水Tm=4.0 m，首吃水TH=4.5 m，尾吃水TK=3.5 m。在拖帶海區遭遇波高3 m，波長30 m的海況，以單船正拖的形式對該船進行拖帶，可以估算船中所承受的剪力和彎矩。

不同航向時應當注意到艦艇與波浪的遭遇圓頻率將發生變化，其關系可以表述為：

(15)

式中：μ——遭遇角；

這里分析航向為頂浪和順浪的兩種形式，頂浪狀況選取首向角為180°～150°的情形，而順浪狀況選取首向角為0～30°的情形。航速的選擇以3～9 kn為主，船舯彎矩剪力值見表1、2。

表1 破損艦艇在3級海情下拖帶中船舯彎矩的極值預報kn·m

表2 破損艦艇在3級海情下拖帶中船舯剪力的極值預報kn·m

3 結論與建議

1) 考慮當船舯附近破損，在較為理想的氣象條件下進行拖帶的艦艇總縱強度，拖帶應使被拖艦艇保持良好的浮態，如若不能滿足拖帶的基本條件則不能執行拖航任務。對于首尾發生破損的艦艇應當對艦艇作適當搶修后進行拖航。

2) 拖帶破損艦艇應當盡可能地選擇較為理想的氣象條件。在客觀條件受限制的情況下，拖帶工作要從環境因素出發，計算不同航向航速情形下的剪力彎矩后，確定最合理的航向航速[4]。

從表1、2中的數據可以確定避免拖帶艦艇順浪航行的狀況發生。在頂浪航行的狀況中，通常在航速較低的情況下，航向只要保證在頂浪方向即可，從圖3中的數據可以看出，在頂浪方向上隨著航速的增加應當盡量保證拖帶航向180°，也就是說，正頂浪航行。

3) 總縱強度的安全性評價是根據校核后的破損艦艇剩余強度來進行的，而剩余強度的計算可以根據IACS規范準則進行[5,6]，因此在一定的海況條件下，保證艦艇拖帶有一個合理的航向航速是保障破損艦船拖航安全的關鍵。

圖3 最小彎矩時的航向航速對應關系

[1] Korvin-Kroukovsky B V,W R Jacobs. Pitching and Heaving Motions of a Ship in Regular Waves[J]. Trans.SNAME,1957,5:500-632.

[2] R.Bhattacharyya, 鄔明川等譯. 海洋運載工具動力學[M]. 北京：海洋出版社，1982:247-251.

[3] 尹 群，管義峰等. 船舶靜水剪力和彎矩的計算及分析[J].造船技術，2002(1):12-15.

[4] Soares C G. Reliability of Maintained Ship Hulls Subjected to Corrosion[J]. J Ship Res,1996,40(3):235-243.

[5] 陳鐵云，王德禹，黃震球. 艦船結構終極承載能力[M]. 上海：上海交通大學出版社，2005:122-129

[6] 魏 東，張圣坤. 基于規范要求的受損船體總縱剩余強度分析[J].上海交通大學學報，2000(1):127-131.