內河雙尾船甲板上浪統計特性影響因素分析

陳鈺　劉光明

摘 要：對內河典型雙尾船進行線型變換得到一系列尺度比船型，通過進行耐波性能統計預報，得到甲板上浪概率和每小時上浪次數，進而分析了各個因素對甲板上浪統計特性的影響程度，結論為內河船舶制定合理的干舷標準提供了依據。

關鍵詞：內河雙尾船；干舷；相對運動；甲板上浪概率

中圖分類號：U661.32 文獻標識碼：A

1 引言

載重線是船舶營運的限界線和船舶安全的生命線，載重線根據船舶的干舷勘劃，船舶干舷分為最小干舷（形狀干舷）、強度干舷、穩性干舷三種，當三種干舷不一致時取三者之中的最大值勘劃載重線。就最小干舷而言，主要從儲備浮力、防止甲板上浪、對船員與乘客的保護等角度確定的基本要求，其計算值與船舶主尺度、船型特征、舷弧高度和甲板開口密性程度等因素有關。

我國現行《內河船舶法定檢驗技術規則》[1]對最小干舷的要求主要參考前蘇聯的相關規定，并結合我國內河水域和船舶特點以及實船航行經驗確定的，其總體要求水平和量級與歐盟的現行規定相當。為了保障安全航行、充分發揮船舶裝載能力、公平市場環境，開展內河船舶最小干舷的適用研究是十分必要的。本文對內河典型的雙尾船用NAPA進行線型變換得到一系列尺度比船型，通過進行耐波性能統計預報，得到甲板上浪概率和次數，進而分析了各個因素對甲板上浪統計特性的影響程度，旨在為內河船舶制定合理的干舷標準提供依據。

2 計算方法和原理

甲板上浪問題是以船首和波面垂向相對運動為基礎，所以研究工作的第一步是船舶在不規則波中航行時五個自由度運動預報，其中相對運動預報是重要內容之一[2]。如果把相對運動位移Zr（t）看成是一個隨機過程， 那么甲板上浪問題就是一個隨機過程過閾特性的統計問題，這個閾值就是干舷高[3]。本文基于三維線性勢流理論得到船舶相對運動，進而預報與上浪有關的各種統計特性。

2.1 相對運動預報

基于三維線性勢流理論，以船舶首垂線吃水為波高監測點，監測其相對波面的位移，計算其在規則波中時間歷程，通過傅利葉變化，得到相對運動的位移幅頻響應函數[4]：

2.2 甲板上浪統計特性預報

認為相對位移Zr（t）是零均值窄帶高斯過程，其峰值Zra服從瑞麗分布：

3 計算方案

上浪嚴重程度取決于多項因素，這些因素包括水文條件、 浪向角、船型、干舷高等，本文的重點在于考察這些因素各自對甲板上浪的影響。

以一艘船長80 m的內河雙尾球首散貨船為母型船，通過NAPA軟件的transformation功能進行系列船型線設計。所設計的系列船主尺度L/D和B/D如表1所列。為了考察方形系數Cb對甲板上浪特性的影響，設計Cb為0.6、0.7、0.8、0.9四種情況；水文情況按照規范的要求，取為A級航區有義波高Hs為2.0 m，平均跨零周期To為3、4、5 s；干舷F取為0.2 D、0.15 D、0.10 D；其他考慮的因素詳見表1。

需要說明的是，由于船型較多，選定一個標準船型為L/D=20、B/D=4、Cb=0.8、干舷F=0.15D、重心垂向位置Zg為1.00 D、傅氏數Fn為0.15的情況，在考慮某項影響因素時，只變化該因素的值，其他的量參考標準船型。

基于三維線性勢流理論計算船首和波面垂向相對運動，需要將船舶的型值數據編輯為標準格式，得到程序可識別的型線，然后給定船舶在特定裝載狀況下的重量分布、橫搖慣性半徑、阻尼等參數，在一定的航速和水深下，在規則波中對船舶的相對運動響應進行水動力分析。

4 甲板上浪的計算結果

按照上述方法和方案對系列船型進行相對運動預報和甲板上浪統計特性計算，分別得到各因素對于相對運動特性及上浪特性的影響程度。需要指出的是，以下的結果尚未考慮內河A級航區波高2.0 m為5%的保證率這一因素，因此所得的上浪概率數值都較大。另外，以下的結論除了第5點，均按照（Hs=2 m，To=5 s）的水文條件進行的預報。

4.1 主尺度影響

由于有義波高取值為2 m，而干舷值僅有0.6 m，在Hs=2 m、T=5 s的組合條件下，上浪概率比較高，均超過了80%，每小時的上浪次數也比較大，達到了幾百次的量級。同時，超過干舷的概率隨著L/D的增加而增加，對同一L/D的船型，B/D=4的結果小于B/D=3的結果。由表2可見，相對運動的幅頻響應規律與同一L/D下的統計量相反，這說明L/D的影響大于B/D的影響，這與前期《鋼質內河船舶建造規范波浪載荷及計算方法研究》項目所得結論也比較一致。

4.2 干舷影響

對L/D=20、B/D= 4船型在0.1D、0.15D、0.2D三種干舷情況下，傅氏數為0.15時的計算和統計分析結果如表5所示。由表5可知，隨著干舷的增加，船舶的相對運動幅頻響應減弱，這表明干舷越大；船舶的相對運動越平緩，反之越劇烈。此外，干舷增加對船舶甲板上浪的影響較大，當干舷達到0.2D即800 mm的時候，上浪概率減小較為顯著。

4.3 方形系數影響

對L/D=20、B/D= 4船型在方形系數Cb為0.6、0.7、0.8、0.9四種情況下，傅氏數為0.15時的計算和統計分析結果如表6所示。隨著方形系數的增加，運動響應幅頻響應呈遞減趨勢，對應的上浪概率也呈遞減趨勢。這表明船越瘦削，耐波性運動越劇烈，這也與4.1節尺度比的計算結論在本質上是一致的。

4.4 重心垂向位置影響

對L/D=20、B/D= 4船型在重心垂向位置Zg為0.85D、1D、1.15D三個重心位置的比較分析表明，重心位置越低，船舶的相對運動幅頻響應越小。但由于響應差異不是很大，故甲板上浪概率差別不大。

4.5 環境條件影響

對L/D=20、B/D= 4的船型在波浪周期為3、4、5s時的統計分析結果如表8所列，由表8可知，甲板上浪概率受周期的影響較為敏感，5 s的周期對應0.87的概率，而3 s的周期僅對應0.27的概率。

5 結論

以一艘80 m典型雙尾船型為基礎進行線型變換得到一系列船型，在分析影響甲板上浪各因素的前提下，得到一些有益的結論，為后期開展甲板上水量的研究奠定了基礎，為內河船舶制定合理的干舷標準提供了一定的理論依據。

綜上所述，當船首干舷一定時，可得到如下幾點結論：

（1）甲板上浪的概率隨方形系數Cb的增大而減少；

（2）L/D增大，甲板上浪概率增加；B/D增大，甲板上浪概率減小；L/D的影響大于B/D的影響；

（3）重心垂向位置對甲板上浪概率的影響較小。

另外，當干舷不同時，甲板上浪的概率隨著干舷的增加而減小；由于內河波浪條件的特殊性，決定了內河船舶甲板上浪特性的不一般，在今后的研究中將重點開展內河水文條件對甲板上浪特性影響的研究。

參考文獻

[1]中華人民共和國海事局.內河船舶法定檢驗技術規則[s].北京：人民交通出版社，2011

[2] 賀五洲、戴遺山.船舶上浪預報中甲板上浪的統計分析[J].中國造船1996（3）1-12

[3] 王仁康、吳靜萍.淹濕性曲線和甲板上浪統計特性計算[J].武漢交通科技大學學報1998.22（1）8-12

[4]吳秀恒 ， 張樂文 ， 王仁康 .船舶操縱性與耐波性.北京：人民交通出版社，1988.303-307

[5]劉光明等.鋼質內河船舶建造規范波浪載荷及計算方法研究[R].中國船級社武漢規范研究所2014.5

[6] 中國船級社.鋼質內河船舶建造規范[S].北京：人民交通出版社，2009