艦船進水過程中沉沒判據研究

孫昌將， 鄢 凱，安江波

(海軍蚌埠士官學校，安徽 蚌埠 233012)

艦船進水過程中沉沒判據研究

孫昌將， 鄢 凱，安江波

(海軍蚌埠士官學校，安徽 蚌埠 233012)

目前，國內外對于破損艦船沉沒判據的研究，主要以艦船破損進水后的最終狀態(tài)為判斷依據，沒有考慮進水過程中可能出現的危險狀態(tài)，有一定的局限性。本文在分析美海軍沉沒判據不足的基礎上，給出新的沉沒判據表達式，用以判斷艦船在進水過程中是否發(fā)生沉沒，并通過某船計算驗證該沉沒判據的準確性。

艦船；破損；進水過程；沉沒；判據

0 引 言

目前，國內外對破損艦船沉沒判據的研究，主要以艦船破損進水后的最終狀態(tài)為判斷依據，沒有考慮進水過程中可能出現的危險狀態(tài)。根據文獻[1]對艦船進水過程的研究，存在著艦船進水過程中的穩(wěn)性比進水最終狀態(tài)更為危險的情況。為此，需要對艦船進水過程中的沉沒判據進行研究。本文首先介紹美海軍沉沒判據，在分析美海軍進水最終狀態(tài)沉沒判據實質的基礎上，給出艦船進水過程中的沉沒判據，并通過某船計算驗證該判據的準確性。

1 國外艦船沉沒判據分析

美海軍在國外艦船沉沒研究方面處于領先地位。本文將以美國海軍為例，對艦船沉沒判據進行分析。艦船破損后的抗風浪性指標是沉沒判據設定的重要構成部分，美海軍對于抵抗靜風的靜傾力矩能力是使用靜風橫傾角衡量的，抵抗突風的動傾力矩能力是使用穩(wěn)性儲備系數dyw>1.4來衡量的[2-4]。大角穩(wěn)性儲備系數dyw，是A2面積和A1面積的比值，它反映了動傾力矩作用下的靜穩(wěn)度曲線儲備扶正能力，如圖1所示。

(1)

圖1 靜穩(wěn)度曲線 1Fig.1 Static stability curve 1

圖1中的θC表示甲板浸水角和45°角中的較小者；D點和E點之間的角度范圍，即θD～θE取波浪共振角θr和12°之間的較大者。

θB不得超過20°是基于以下原因考慮的：當橫傾角超過20°時，艦船上的動力和武器裝備很難正常工作，不利于損管和救援工作的開展。

美海軍利用大角穩(wěn)性儲備系數大于1.4來限制破損艦船的橫搖角，如圖2所示，即在圖中S2(曲線deg的面積)與S1(曲線ond的面積)相比大于1.4，且該判定標準以破損進水的最終狀態(tài)為判斷依據，即默認進水最終狀態(tài)最為危險。根據文獻[1]可知，艦船在進水過程中確實會出現比破損進水的最終狀態(tài)還危險的情況，即進水過程中的靜穩(wěn)度曲線ohij在最終狀態(tài)odef曲線的下方；并且在整個進水過程中，根據艙室進水狀態(tài)的不同，曲線ohij是實時變化的。為此，利用美海軍艦船破損后最終狀態(tài)下的大角穩(wěn)性儲備系數判斷艦船是否沉沒，會出現最終狀態(tài)不沉沒，但在進水過程中已經沉沒的現象。因此，該美軍沉沒判據已不能對進水過程中艦船是否傾覆進行判斷，需要對進水過程中的沉沒判據進行研究。艦船進水過程的橫搖運動模型是判斷艦船進水過程中是否發(fā)生傾覆的基礎，為此，下面介紹艦船進水過程的橫搖運動模型。

圖2 靜穩(wěn)度曲線 2Fig.2 Static stability curve 2

2 艦船進水過程的橫搖運動計算模型

設艦船共有n個艙室可能會進水，與艙室i(i=1,2…n)相連的破口編號集合記為Ω(i)， 艙室之間只有一個破口；破口Cij(j∈Ω(i))的面積為ACij，流量系數為μCij，破口Cij距離水線的距離為HCij；艙室i內水線面的面積為Si，艙室i內水線面距水線的垂直距離為Hi。

艦船進水過程的橫搖運動計算模型應滿足如下方程：1)橫搖運動方程；2)垂向受力平衡方程；3)縱向平衡方程；4)所有進水艙室應滿足進水量平衡方程，即任意時刻通過破口流入艙室的總流量等于艙室內進水的增加量；5)各個破口的進水量伯努利方程；則計算模型滿足如下方程組[5-8]：

(2)

3 進水過程中沉沒判據的設定

上述判據的推導理由可由圖2中靜穩(wěn)性平衡曲線的能量平衡導出：先以靜穩(wěn)度曲線odef為例說明艦船在風傾力矩作用下的橫搖運動過程。從0°～θ(d)階段，曲線ond所圍成的面積S1表示風傾力矩比扶正力矩對艦船橫搖多做的功。從θ(d)向右階段，曲線deg圍成的面積S2表示風傾力矩比扶正力矩對艦船橫搖少做的功。

當S2與S1的面積相比等于1.4時，此時e點(θ(e)=45°)是艦船的一個臨界點，風傾力矩對艦船所做的功小于艦船自身扶正力矩所做的功，二者相差部分為阻尼力矩所做的耗散功對橫搖運動的貢獻。

當該臨界點e在原來位置的基礎上再向右移動，才能至少滿足S2與S1的面積比值為1.4，即橫搖角大于θ(e)才能滿足面積比值為1.4時，則艦船將會傾覆；反之，當e點在原來位置的基礎上向左移動時，就已經可以滿足S2與S1的面積比值為1.4，即橫搖角小于θ(e)就能滿足面積比值為1.4時，則艦船將不會發(fā)生傾覆，而會在橫搖角為θ(e)之前便向相反方向橫搖了。

在破損進水過程中，由于進水艙位置、破口的不同以及進水量隨時間不斷變化，進水過程中的靜穩(wěn)度曲線是不確定的，所以無法計算出進水過程中S2′(曲線hig的面積)與S1′(曲線onh的面積)的具體數值。但通過上述分析知，美海軍利用面積比值判斷是否傾覆的臨界條件，其關鍵在于：計算點i處，艦船橫搖運動的角速度和角加速度以確保橫搖角不超過θ(i)。

4 案例計算

使用第2節(jié)的計算模型和第3節(jié)建立的艦船進水過程中的沉沒判據，對某船進水過程的橫搖姿態(tài)進行計算，以驗證本文建立的沉沒判據的準確性。

某魚雷在某船近距離非接觸爆炸，破損的艙室為m1，m2和m3。共形成3個破口，其中破口1在m1的舷側，破口2在m1和m3艙壁之間，破口3在m2和m3艙壁之間，如圖3所示。

圖3 破口位置及艙室剖面圖Fig.3 Crevasse position and cabin section

該船橫向受到的靜分風速為25 m/s，突發(fā)風速為46 m/s。圖4為整個進水過程都受到橫向突風作用，圖5則為整個進水過程完成之后才受到突風作用。

圖4 突風從進水開始便作用于艦船時的橫揺曲線Fig.4 Roll angle when the gust and water inlet happen the same time

圖5 突風于整個進水完成后才開始作用條件下的橫揺曲線Fig.5 Roll angle when the gust happens after the whole water inlet progress

上述2個仿真條件下的沉沒判斷如表1所示。

表1 沉沒判斷Tab.1 Sink judgement

分析表1可知，根據沉沒判據知，對于突風從進水開始便作用于艦船，根據第3節(jié)所建立的沉沒判據，當橫揺角為45°時，橫揺角速度與角加速度的方向相反，則沉沒判據成立，該船將發(fā)生傾覆而沉沒。圖4為所對應的整個仿真橫揺曲線，該船于仿真第23.2 s步橫揺角超過90°而發(fā)生傾覆，從而證明該沉沒判據的準確性。

同樣，對應突風于整個進水過程結束之后才作用于艦船，由表1可知，在橫揺角小于45°的31.63°時，其橫揺角速度與角加速度方向相同，且與橫揺角方向相反，則沉沒判據不成立，該船不會發(fā)生傾覆；圖5所示的橫揺曲線也驗證了該船不會發(fā)生傾覆。

5 結 語

對于破損艦船是否沉沒，國內外主要以艦船破損進水后的最終狀態(tài)為判斷依據。然而，由于進水過程中會出現比進水最終狀態(tài)更為危險的情況，以進水最終狀態(tài)為依據的沉沒判據已經無法滿足對整個進水過程的沉沒危險性的判斷，為此，需要對艦船進水過程中的沉沒判據進行研究。

本文介紹了美國海軍對破損艦船沉沒判據的設定方法的實質，并分析其沉沒判據的不足，在此基礎上，給出了本文所采用的艦船進水過程中的沉沒判據表達式。為驗證該進水過程中沉沒判據的準確性，本文以某船進水過程為例，對沉沒判據參數以及破損進水過程的橫揺角進行了仿真計算，計算結果表明該沉沒判據是準確的。

[1] 浦金云，金濤，邱金水.艦船生命力[M].北京：國防工業(yè)出版社，2008.

PU Jin-yun,JIN Tao,QIU Jin-shui.Ship survivability[M].Beijing:Defence industrial Press,2008.

[2] LEWIS E V.Principles of naval architecture second revision (volume 1)[M].New Jersey：The Society of Naval Architects and Marine Engineers，1988：111-194.

[3] MARTIN S.Numerical simulation of damage stability and seakeeping[M].Chalmers University of Technology，2008.

[4] DDS 079-01.Design data sheet-stability and buoyancy of U.S.naval surface ship[S].Naval Ship Engineering Centre：Department of Navy，1992.

[5] 鄢凱，浦金云，侯岳.艦船破損進水過程的非線性橫搖運動仿真[J].艦船科學技術，2011，33(7)：14-17.

YAN Kai,PU Jin-yun,HOU Yue.Num ericalsimulation research fornon-linearity rolling motion of wateringres-sprocesson a big ship[J].Ship Science and Technology,2011，33(7)：14-17.

[6] RUPONEN P.Pressure correction method for simulation progressive flooding and internal air flows[J].Helsinki University of Technology，2006，1(1)：1-75.

[7] LEE D，HONG S Y.Theoretical and experimental study on dynamic behaviour of a damaged ship in waves[J].Ocean Engineering，2007(34)：21-31.

[8] KULOW K S.Modeling the progressive flooding charact-erictics of the arleigh burk class destroyer using simsmart and excel[D].California：Naval Postgraduate School，2000.

Research on ship sink judgement in flooding process

SUN Chang-jiang,YAN Kai,AN Jiang-bo

(The Electromechanical Department of BengBu Naval Petty Officer Academy,Bengbu 233012,China)

Nowadays, for the sink judgement of the damaged ship, the end state of the flooding is used as the judegement in the predecessor studies. However, it indeed exists that the intersection state is more dangerous than the state of the end of flooding. So, it is necessary to set up a sink judgement to analyze the intersection state stability. In the paper, the US Navy sink judgements are analyzed, and the essence of US Navy sink judgement setting up is also analyzed. On the basis of the mentioned analysis, the sink judgement of the flooding process is set up in the paper, which is verified to be accurate by an actural ship simulation calculation.

ship;damage;flooding process;sink;judgement

2014-06-17;

2014-08-29

孫昌將(1966-)，男，副教授，研究方向為艦船生命力及損管技術。

U661.23

A

1672-7649(2014)11-0042-04

10.3404/j.issn.1672-7649.2014.11.009