過度加速度第一層與第二層薄弱性衡準一致性分析

馬 坤 于開波 梅樹猛

(大連理工大學船舶工程學院 大連 116024)

0 引 言

目前，國際海事組織(International Maritime Organization,IMO)正在進行第二代完整穩性衡準的制定工作.經過多年的努力，第二代完整穩性衡準中五種失效模式的薄弱性衡準草案基本完成[1]，在最新召開的SDC第4次會議中，中國代表團針對多艘集裝箱船、LNG船及滾裝船進行了計算，并針對初穩性高及橫搖固有周期對過度加速度一、二層結果的影響進行了分析[2]；日本針對SDC第3次會議中的錯誤做出了修正[3]；美國對多種樣船的不同載況進行了過度加速度評估，利用評估結果對過度加速度第二層薄弱性衡準的不同計算方法及結果的影響因素做了比較全面的比對[4].但從各國遞交至IMO的計算數據來看，某些樣船的第一層與第二層薄弱性衡準的計算結果存在不一致性，這里的不一致性是指船舶某種載況滿足第一層衡準但沒有通過第二層衡準校核[5].

本文基于已開發的過度加速度薄弱性衡準第一層和第二層計算程序，選取了漁政船、油船、巡邏船、海域看護船等23艘樣船共69種工況進行計算，對導致一、二層結果出現不一致的載況做出分析，并對衡準值提出了建議，為過度加速度薄弱性衡準的確定提供技術支持.

1 過度加速度薄弱性衡準

1.1 第一層薄弱性衡準

如果船舶在任何裝載條件下都能滿足式(1)，則認為滿足過度加速度第一層薄弱性衡準要求[6-7].

(1)

式中：φ為橫搖幅值，rad；KL為考慮垂向加速度及首搖影響的無因次系數；g為重力加速度，9.81 m/s2；h為船員或乘客能到達的最高點至橫搖軸的距離，m；Tr為橫搖固有周期，s；REA1為第一層的衡準值，草案的取值方案有5.3，8.69及8.9 m/s2[8].

1.2 第二層薄弱性衡準

第二層薄弱性衡準采用概率方法對過度加速度失效模式進行計算和評價.評價指標為取值范圍從0.0～1.0的長期失效概率，由各環境工況下的短期失效概率加權計算得到，即如果船舶在任何裝載條件下均能滿足式(2)，則認為該船滿足過度加速度第二層薄弱性衡準要求.

(2)

式中：C為長期失效概率；Wi為不同波況下的權重系數，取自北大西洋波浪散布圖；Ci為短期失效概率，由式(3)確定；REA2為第二層衡準值，提議的取值方案有1.1×10-4,10-3,0.028 1及0.043 m/s2.

(3)

2 樣船計算結果

選取23艘樣船，每船各有3種工況，共69種工況，樣船包括漁政船、油船、巡邏船、看護船等，保證了樣船種類的多樣性；另外，樣船船長范圍從24～186 m，樣船中小船占比較大.

根據IMO草案中的過度加速度薄弱性衡準的計算原理，使用VB語言開發出過度加速度薄弱性第一層及第二層計算程序，程序的可靠性驗證見表1.

表1 程序可靠性驗證

通過表2數據可以驗證程序的可靠性，利用該程序對23艘樣船共計69種工況進行計算，計算結果見表2.

表2 過度加速度薄弱性衡準樣船計算結果匯總

續表2

3 第一層與第二層一致性分析

3.1 衡準值選取對過度加速度一致性的影響

由表2可知，若過度加速度第一層衡準值取5.3 m/s2，有30種工況不能通過；若按照衡準值為8.9或8.69 m/s2評估，則除了三艘川江油船的9種工況沒有滿足要求外，其他60種工況都能通過第一層薄弱性衡準.第二層衡準值取1.1×10-4m/s2時，有44種工況不能通過第二層校核；若衡準值取1.0×10-3m/s2，則有28種工況不能通過；若按照衡準值0.028 1 m/s2評估，只有五種工況不能通過；若按照衡準值0.043 m/s2評估，有三種工況不能通過校核.

從上述分析來看，選取不同的衡準值組合對過度加速度的一致性有很大的影響，但從本文樣船計算數據分析，第一層衡準值若選用5.3 m/s2過于嚴苛，選用8.9或8.69 m/s2更為合理；第二層衡準值若選用1.1×10-4m/s2過于嚴苛，選用0.028 1或0.043 m/s2則過于寬松，選取1.0×10-3m/s2較為合理，因此，在本文后續分析中，第一層衡準值選為8.9 m/s2，第二層衡準值選為0.001 m/s2，將樣船計算結果與衡準值整理成圖1.

圖1 樣船一、二層結果與衡準值的比較

由圖1可知，在本文的樣船計算中過度加速度薄弱性衡準一、二層之間共有八艘船19種載況存在不一致的情況；另外，三艘川江油船共九種載況的一、二層評估結果異常，不符合實際情況，這三艘船屬于不適用，所以可以除外.

3.2 98客位客渡船過度加速度一致性分析

由圖1可知，該船三種載況通過了過度加速度第一層校核，但卻未通過第二層薄弱性衡準校核，不滿足一致性要求.

通過分析發現，98客位客渡船的船型為尖舭型，無舭龍骨，在過度加速度第一層薄弱性衡準的阻尼系數計算時對尖舭船型做了特殊考慮；而第二層對于阻尼的計算采用的是池田法，該方法未考慮尖舭船型，阻尼計算會偏小.

為了驗證該因素是造成該船計算結果存在不一致的原因，本文將過度加速度第一層薄弱性衡準的計算程序進行修改，使其不考慮尖舭船型而進行一層校核，將計算結果與考慮尖舭船型的程序的結果進行對比，見表3.

表3 考慮尖舭與不考慮尖舭的一層結果對比 m/s2

由表3可知，一層評估方法中如果未考慮尖舭船型其校核結果也非常大，不滿足衡準要求，驗證了該因素是導致98客位客渡船三種載況過度加速度一、二層評估結果不一致的內在原因，因此建議IMO對第二層中的阻尼評估方法中對尖舭船型做詳細考慮.

3.3 船長對過度加速度一致性影響

由圖1可知，除98客位客渡船及三艘內河油船外，另有七艘樣船共16種工況不滿足一致性，對于船長超過80 m的樣船，一、二層的一致性非常好；對于船長小于80 m的船舶，尤其對于船長小于50 m的樣船，存在一、二層之間的不一致性明顯.

這些船長較小的樣船在實際航行中并沒有發生過度加速度，從原理上分析也并沒有發現其不適用性，且這些小船的一層校核均滿足衡準要求，那么導致不一致性的原因可能在于目前提出的二層衡準值是由各國的樣船計算結果而決定的，而各國所選取的樣船大都為船長較大的船舶，對船長較小的船舶不具有參考性，因此建議根據船長分段制定二層衡準值.

從計算結果來看，第二層衡準值對船長小于80 m的船舶取值應不小于0.008 m/s2才能夠保證所有樣船的一致性.這里所建議的衡準值不包括三艘內河油船，對于三艘內河油船，首先其航行環境與衡準中所考慮的海況不符；其次江船寬度吃水比較大，超出過度加速度第二層薄弱性衡準的范圍，本文是按照臨界值計算，可能會造成阻尼的計算結果不精確，因此,認為其對衡準值的選定不具參考價值.但為了保證草案的普適性及計算的準確性，IMO需要對寬度吃水比過大的船舶的阻尼評估方法做出詳細說明.

如果對于船長小于80 m船舶的第二層衡準值選為0.008 m/s2，且不考慮不適用船型的計算結果，將其二層計算結果與衡準值整理成圖2.

圖2 二層計算結果與建議衡準值的比較

由圖2可知，所有適用樣船的二層計算結果均滿足了衡準的要求，通過分段制定衡準值可以解決本文樣船一、二層結果不一致的問題.

4 結 論

1) 將樣船計算結果與IMO草案中的衡準值進行對比，認為第一層衡準值選為8.9 m/s2，第二層衡準值選為0.001 m/s2較為合理.

2) 分析了98客位客渡船的計算結果，可以看出目前草案中的第二層薄弱性衡準在阻尼計算時未考慮尖舭船型的影響，因此建議IMO在過度加速度第二層薄弱性衡準評估中對尖舭船型做出詳細說明.

3) 三艘內河油船不適用于目前提出的過度加速度草案，但為了保證草案的普適性及計算的準確性，建議IMO對寬度吃水比過大的船舶的阻尼評估方法做出詳細說明.

4) 通過樣船計算分析，可以看出過度加速度薄弱性衡準一、二層在船長小于80 m的樣船中存在明顯的不一致性，建議IMO增加小船的樣船數據，根據船長分段制定衡準值，從本文的樣船數據來看，對于船長小于80 m的船舶二層衡準值應不小于0.008 m/s2.