風浪與自由液面耦合作用下的漁船穩性研究

許家帥 張光發

摘 要：為了更準確地研究漁船穩性，消除惡劣條件下作業安全隱患，使漁民作業更安全，該文根據某漁船基本參數，及突風、波浪和自由液面的不同數值，在突風、波浪和自由液面耦合作用下研究漁船的穩性，從而判斷漁船在某海況下可否安全出海作業。

關鍵詞：突風 波浪 自由液面 耦合 穩性研究

中圖分類號：U662 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2018）02（a）-0039-02

我國漁船數量多，漁民為了更大的利益在惡劣天氣下出海作業，由于海況復雜，漁船穩性較差，且沒有準確的方法來判斷漁船在某惡劣天氣下出海作業是否安全，漁民只根據經驗來判斷是否具備出海條件，可能導致悲劇發生。

目前專家學者對漁船穩性有所研究。刁有明等[1]通過分析甲板負荷、波浪、海冰、船員素質及漁船自身穩性，得出結論，應控制漁船初穩性，加強船員培訓；馮鐵城、周秀康等[2]通過漁船校核計算及時域分析，對比各規范差異，得出漁船IMO氣象衡準系數不同于大型船舶的結論；張舒[3]基于NAPA軟件對漁船穩性衡準進行校核，對新型漁船研發提供了依據。

本文基于同一直線力矩耦合同向相加、異向相減的原則，選取某漁船為素材，分別進行突風、波浪作用下漁船穩性計算和波浪作用下自由液面修正計算，將三者疊加耦合，得出耦合值，對比單一變量和多變量耦合作用下的復原力矩。

1 風浪與自由液面耦合作用下的漁船穩性基本計算

1.1 突風作用下的漁船穩性計算

突風具有突然性，對漁船穩性影響大。選取垂直于漁船中線面的突風為模型，取突風傾側力臂等于1.5倍定常風傾側力臂，空氣密度取0.0128kg/m2[4]，根據伯努利方程可知風速與壓強的關系，推出突風傾側力臂與風速的關系，根據復原力臂與傾角的穩性曲線圖知，當時，可求出對應的傾角，得出復原力矩與突風風速的關系：

（1）

其中，A為船舶裝載水線以上受風面積，m2；Z為自A的中心至水下側面積中心或近似的到平均吃水處的垂直距離，m；v為突風風速，。

1.2 波浪作用下的漁船穩性計算

波浪是復雜海況的重要因素之一。從船舶設計實用手冊（總體分冊）[5]中選取公式算法計算。用辛普生公式對漁船分段計算；取簡譜波作為波浪模型，波長近似于船長，得到節點處波面垂向坐標表達式；計算出排水體積，求出排水量，求出浮心垂向坐標及橫穩心垂向坐標，最后求出漁船傾角與復原力矩的關系。

1.3 自由液面作用下的漁船穩性計算

漁船駛至某水域時，燃油艙會變為非滿載狀態；在捕撈過程中，液貨艙也會出現非滿載狀況，因此有必要考慮自由液面對漁船穩性的影響。由于漁船以營利為主，安裝精確測量儀器計算液貨艙消耗情況不具有可行性，因此，研究漁船在自由液面作用下的穩性即研究大傾角自由液面修正值。

1.4 突風、波浪和自由液面耦合作用下的漁船穩性計算

通過相關力矩耦合資料可知，力矩方向在一條直線上可對其直接加減。分別計算出突風、波浪大傾角自由液面修正的復原力矩，相加減即可得到突風、波浪和自由液面耦合作用下的船舶的復原力矩。

2 實例計算與分析

2.1 素材選取

本文選取某漁船為素材，選取液貨艙非滿載工況，主要尺度如下：

總長35.50m；

垂線間長31.10m；

型寬6.00mm；

型深2.90m；

設計吃水2.30m。

計算工況信息如下：

液貨艙自由液面慣性矩，合計12.8t·m。

整船重心高度為2.144m計算出邦戎曲線橫剖面面積表、邦戎曲線橫剖面形心高度表及半寬型值表。

2.2 當波谷在船中時

2.2.1 波浪作用下的漁船穩性計算

中吃水：m；

重心離基線高度：m。

取正弦波振幅為m，波長為船長。根據中吃水得到每站實際吃水，查詢邦戎曲線，使用辛普生公式積分計算。

求和得m2。

（2）

計算得m3。

（3）

取1.005，計算得排水量t。

計算浮心垂向坐標，使用辛普森公式進行積分求面積和面積矩，分別求和得：m2，m3。

（4）

計算得浮心垂向坐標m。

使用辛普森公式計算水線面慣性矩，計算得V=220.94m3。

（5）

計算得KM=3.14；再由GM=KM-KG，計算得GM=0.99m。

2.2.2 大傾角自由液面修正

具體情況見表1。

2.2.3 突風作用下的漁船穩性計算

查找工況信息知：；

漁船允許作業風速不超過八級，突風風速計算到10級，分別取5至10級，對應的風速，可以得出，再通過 m，t求解，得出突風風速、傾角和復原力矩的關系，如表2所示。

2.2.4 突風、波浪和自由液面耦合作用下的漁船穩性計算

具體情況見表3。

2.3 當波峰在船中時

用相同方法計算，對比結果，與波谷在船中時結論一致。

3 結語

突風、波浪、自由液面三者耦合作用船舶復原力矩更準確，漁民出海打漁應綜合考慮上述三個條件耦合的結果，判斷能否安全出海打漁作業。

參考文獻

[1] 刁有明，賈敬蓓，張文孝，等.木質漁船穩性研究[J].寧波大學學報：理工版，2011，24（4）：116-119.

[2] 馮鐵城，陶堯森，周秀庚.漁船穩定性研究[J].中國造船，1994（4）：13-20.

[3] 張舒.漁船穩性衡準分析與算法研究[J].船舶工程，2017（6）：12-14.

[4] 漁業船舶法定檢驗規則[Z].

[5] 船舶設計實用手冊（總體分冊）[Z].