基于船模水池試驗的船舶順浪純穩性損失計算擴展模式

李 東，石愛國，薛亞東，楊 波，張新宇，西文韜

(海軍大連艦艇學院，遼寧 大連 116018)

基于船模水池試驗的船舶順浪純穩性損失計算擴展模式

李 東，石愛國，薛亞東，楊 波，張新宇，西文韜

(海軍大連艦艇學院，遼寧 大連 116018)

船舶順浪航行的純穩性損失研究，已成為國際航海界和國際海事組織（IMO）關注的課題之一。在Ю.И.涅查耶夫根據28艘漁船和運輸船船模水池試驗的船舶順浪純穩性損失計算方法的基礎上，提出了擴展模式，擴大了其適用范圍，并給出了大長寬比（船長/船寬）艦艇純穩性損失的算例，同時實現了該擴展模式的程序化，生成了實用化的軟件。最后通過與CFD試驗方法和一般理論計算法所得結果的對比，驗證了該擴展模式計算結果的可信度。

純穩性損失；順浪；擴展模式；船模水池試驗

0 引 言

順浪航行是船舶，尤其是中小型船舶大風浪中航行優選的航法，以其往往能減輕搖蕩和動力響應的影響。然而，進一步的研究和海上實踐表明，順浪航行的船舶可能陷入純穩性損失、參數橫搖和騎浪/橫甩等不利局面[1]。

所謂純穩性損失，是指船舶順浪航行時，由于船體較長時間處于水線面變化的狀態，以及動水壓力場變化等因素的作用，致使船舶靜穩性降低的情況。當前，IMO正在制定船舶第2代完整穩性衡準[2]，“純穩性損失”是完整穩性失效模式之一，是航海界、造船界密切關注的課題。

現有的純穩性損失的研究一般采用以下2種方法：

1）水池試驗法：優點是更加貼近海上實際；缺點是試驗的次數、船型等受經費的約束較大[3 – 5]；

2）計算法：優點是適用性比較好，不受時空等限制；缺點是計算繁瑣，至少要計算4個自由度的搖蕩，并且所計算的水動力受到諸多約制，譬如傅汝德-克里洛夫（Frude-Krylov）力和斯密斯（Smith）效應，誤差較大[6 – 8]。

針對以上情況，本文根據Ю.И.涅查耶夫[9]基于28艘漁船和運輸船船模水池試驗給出的順浪航行純穩性損失計算方法（以下簡稱涅法），提出切合實用需求的擴展模式。涅法的優勢是描述了順浪航行船舶船體和波浪間復雜的耦合作用，計算結果有較高的可信度；缺點是適用面太窄，難以用于水面艦艇及其他類型的船舶。擴展模式拓寬了涅法的適用范圍，并且實現了該算法的程序化，生成了便捷的實用化軟件。

本文最后借助CFD方法和一般的理論計算法[10]，驗證了船舶順浪航行純穩性損失擴展模式計算結果的可信度。

1 涅法數模化

上述數模化之后的函數圖象與原圖基本重合，誤差可以忽略。

按照上述方法最后只能得到6個固定角度的值，為了擴展這一局限性，本文用函數擬合的方法將最后的6個點擴展成1條曲線，可以求得60°以內的任意度數的值。

2 擴展適用范圍

基于28艘漁船和運輸船船模水池試驗順浪航行騎浪狀態純穩性損失計算法，其優勢是計及了船體與水體之間復雜的耦合動態響應；它的不足之處是適用范圍過窄，具體參數約束見表1。

表 1 某艦艇6個參數與試驗規定標準船模的偏差Tab. 1 Deviation between a naval vessel and the standard ship model in six parameter

為拓寬其適用范圍，使其適用于包括艦體細長、航速高的水面艦艇之類的船舶，本文提出了擴展算法，思路如下：

2）設每一參數對純穩性損失的影響權重相同；

3）超過表1所述適用范圍的船舶，其參數值如大于范圍上限則擴展值為負值，小于下限則擴展值為正值。

擴展公式如下：

以某型艦為例，進行擴展計算。該艦與標準船模的差值見表1。

表1數據代入式（3）求得K為：

3 擴展至船舶順浪航行任意狀態

為使上述計算模式不僅適用于多類船舶順浪航行騎浪狀態的純穩性損失計算，而且適用于非騎浪狀態，本文參考有關文獻[9]，提出適用于船舶順浪航行任意航態純穩性損失的擴展近似算法；

4 應用軟件化

本文采用Qt語言對算法進行編程實現，最終生成軟件的計算界面如圖2所示。

該界面需要輸入船型參數、波浪參數、傅汝德數以及橫傾角等10個參數。參數輸入之后選擇“擴展模式”，再點“計算”按鈕，程序就會按照擴展模式算法給出結果；如果不選“擴展模式”直接點“計算”程序就會按照原算法給出結果。最后的結果會直接顯示在軟件的“結果”對應的方框中。

程序內部的計算流程：

1）判斷“擴展模式”是否被選擇，若是，修正超范圍參數后轉步驟2；若否，且存在超范圍參數則報輸入錯誤并退出程序，參數皆符合范圍則轉步驟2；

2）根據涅查耶夫算法分別計算10°，20°，30°，40°，50°，60°對應的純穩性損失，如果“擴展模式”被選中，則按照第2節的思路對這6個值進行修正，轉步驟3；否則，直接轉步驟3;

5 驗證及結論

本文借助基于CFD的艦艇騎浪狀態下純穩性損失計算和一般的理論計算法的結果與涅法擴展模式進行對比，比較結果如圖3所示。

從圖中可以看出，擴展模式得到的結果與CFD法和計算法基本一致。CFD方法作為一種前沿的計算比較精確的方法，其結果已經基本可以達到與水池試驗等效的程度，因此為進一步確認準確度，表2列出了擴展模式法和一般計算法跟CFD試驗法的比對誤差值。從中可以得出：擴展模式法更加接近CFD試驗結果，其準確性得到證明。

通過分析對比可以看出，本文提出的擴展模式法能夠適應細長艦艇的要求，并能夠擴展到任意順浪航行航態，計算簡潔且精度較高，優于一般的純計算的方法，為船舶順浪純穩性損失的計算提供了一種新的模式。

表 2 CFD試驗、擴展模式法和計算法結果對比表Tab. 2 Comparison table of CFD test, extended mode method and calculation method

[ 1 ]中國船舶重工集團第七〇二研究所, 等. 工信部高技術船舶項目——船舶第二代完整穩性衡準技術研究建議書[R]. 中國船舶重工集團第七〇二研究所, 2012.

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[ 3 ]顧民, 王田華, 魯江, 等. 波浪中純穩性喪失試驗和數值研究[C]// 第二十七屆全國水動力學研討會文集(下冊), 2015.

[ 4 ]顧民, 魯江, 蘭波, 等. 波浪中船舶橫搖復原力變化試驗和數值研究[C]// 中國造船工程學會船舶力學學術委員會第八次全體會議文集, 2014.

[ 5 ]邱敏芝. 船舶隨浪穩性與航行安全性研究[D]. 哈爾濱: 哈爾濱工程大學, 2008.

[ 6 ]馬坤, 甘鄂, 謝微. 船舶純穩性喪失薄弱性衡準樣船計算分析[J]. 中國造船, 2015, 56(S1): 193–200.MA Kun, GAN E, XIE Wei. Calculation and analysis of ship’s pure stability loss[J]. Shipbuilding of China, 2015, 56(S1):193–200.

[ 7 ]胡開業, 丁勇, 聶芳. 基于NURBS方法的船舶隨浪航行純穩性損失研究[J]. 中國造船, 2015(S1): 29–36.HU Kai-ye, DING Yong, NIE Fang. Study on pure stability loss of ship with wave navigation based on NURBS method[J].Shipbuilding of China, 2015(S1): 29–36.

[ 8 ]Proposed amendments to part B of the 2008 IS code to assess the vulnerability of ships to the pure loss of stability failure mode[R]. The Correspondence Group, IMO SDC_ISCG, 2014.

[ 9 ]A. H. 霍洛季夫, A. H. 什梅列夫. 船舶耐波性和在波浪上的穩定措施[M]. 北京: 國防工業出版社, 1980.

[10]黃衍順, 林欣. 船舶在隨浪中的穩性計算[C]// 第五屆船舶耐波性學術討論會論文集, 1991.

[11]李積德. 艦船耐波性[M]. 哈爾濱: 哈爾濱船舶工程學院出版社, 1992.

Extended model for calculation of the pure stability loss of ships in following waves based on ship model basin test

LI Dong, SHI Ai-guo, XUE Ya-dong, YANG Bo, ZHANG Xin-yu, XI Wen-tao
(Dalian Naval Academy, Dalian 116018, China)

Research on pure loss of stability of ships sailing in following waves is becoming one of the subjects of international navigation and International Maritime Organization (IMO). Based on Ю.И. Nechaev’s method[1] of the calculation of pure stability loss of ships sailing in following waves according to ship model tank test of 28 fishing ships and transport shipsan extended model is proposed, which extends the scope of application of the original algorithm, and the example of ship with large ratio of length to width is given. Also the programming of the extended model is implementedand a practical software is generated. Finally, the reliability of the extended model is verified by comparing with the results obtained from the CFD test method and the general theoretical calculation method.

pure loss of stability；following waves；extended model；ship model basin test

U661.2+2

A

1672 – 7649(2017)09 – 0045 – 04

10.3404/j.issn.1672 – 7649.2017.09.009

2016 – 10 – 10；

2016 – 11 – 02

李東(1990 – )，男，碩士研究生，主要從事艦船操縱與避碰研究。