骑浪/横甩薄弱性衡准的评估方法

虞驰程+胡以怀+张宝吉+陈彦臻+邢辉






摘要:
针对目前国际海事组织(InternationalMaritimeOrganization,IMO)正在讨论制定的第二代完整稳性衡准草案中的骑浪/横甩这一稳性失效模式,研究第二层薄弱性衡准评估方法.基于波浪理论计算波浪纵荡力,运用Melnikov方法预报骑浪临界值,采用数值分析方法求解推力和阻力平衡方程,开发骑浪/横甩第二层薄弱性衡准的计算程序.结果表明,C11集装箱船计算结果与IMO给出的参考值相差3%.该方法可为建立新一代完整稳性的衡准技术框架提供参考.
关键词:
完整稳性;骑浪;横甩;波浪理论;Melnikov方法;数值分析
中图分类号:U661.3
文献标志码:A 收稿日期:20150806 修回日期:20151126
0引言
完整稳性是船舶设计建造的强制性法规要求,对船舶安全有非常重要的意义.20世纪中后期,从最初分舱和稳性问题分委会(STAB)讨论起草后经国际海事组织(InternationalMaritimeOrganization,IMO)大会通过的A.167决议和A.168决议,到1993年IMO第18次大会通过的A.749(18)决议,IMO一直致力于制定和修订适用于所有船舶类型的完整稳性规范[13].近年来,随着现代船舶设计技术和船舶流体性能研究的持续发展,对A.749(18)决议进行了重新评估和修订,经IMO稳性、载重线和渔船安全分委会(SLF)的多年工作,起草了《2008年国际完整稳性规则》(2008ISCode),即第一代完整稳性规则[4].2008年在SLF第51次会议上启动了“新一代完整稳性衡准”的制定工作,提出了新一代完整稳性衡准的发展框架和目的,定义了新一代完整稳性衡准中所用的术语[5].新一代完整稳性衡准关注船舶主要的动稳性失效模式,作为2008ISCode的补充和替代方法,给出了5种新的稳性失效模式,分别为:(1)参数横摇;(2)纯稳性丧失;(3)骑浪/横甩;(4)瘫船稳性;(5)过度加速度.针对这5种失效模式,目前国内主要研究参数横摇,对其他稳性失效模式的研究涉及较少,与国际先进水平有一定的差距.骑浪是船舶被波浪捕获而以波速前进的现象,通常将骑浪视为发生横甩的先兆.大多数船舶在骑浪状态下方向不稳定,导致船舶不可控制地转向,发生横甩.[6]目前,横甩已被列入IMO第二代完整稳性衡准研究的5种倾覆模式之中.[7]在第5次SLF会议上,明确了采用三层结构作为新一代完整稳性的衡准技术框架,建立设计主要动力稳性失效模式的船舶设计最低标准,并可适用于非常规类型的船舶.[89]
船舶在随浪航行中,可以用一个非线性纵荡平衡方程模拟其纵荡运动,而船舶骑浪/横甩现象可以认为是一个非线性系统运动问题.MAKI等[10]采用Melnikov方法计算船舶骑浪临界值.本文采用Melnikov方法求解船舶在随浪运动中的纵荡平衡方程得到临界转速,用FroudeKrylov力近似波浪纵荡力并考虑绕射影响[11],最后通过推力阻力平衡方程求解船舶发生骑浪时的临界航速,结合波浪谱计算得到不同弗劳德数对应的衡准数C.自编第二层骑浪/横甩薄弱性计算程序,验算了多种船型的第二层骑浪/横甩薄弱性,得到C11集装箱船的第二层薄弱性衡准数C,且与IMO给出的计算结果进行对比,最终结果表明本文采用的算法可靠有效.本文的研究可为骑浪/横甩第二层薄弱性衡准评估方法的简化提供思路,并给骑浪/横甩第三层薄弱性直接评估研究打下基础.
1骑浪/横甩第一、二层薄弱性衡准
式中Frcr为波浪条件下发生骑浪的临界弗劳德数.
目前,IMO仅给出骑浪/横甩第二层薄弱性衡准的原理,其具体算法并未公开,第二层薄弱性衡准方法的可靠性仍需进一步验证.
2骑浪/横甩第二层薄弱性的计算方法
2.1骑浪/横甩临界值确定
如图1所示:以波谷垂线与船舶水线的交点为原点O,沿波浪传播方向为ξ方向,向下为ζ方向,建立惯性坐标系ξOζ;以船舶重心为原点G,船首方向为x方向,向下为z方向建立固定坐标系xGz.
骑浪现象是横甩现象的先兆,船舶在随浪航行中沿船长方向受力平衡,则船舶在随浪航行中的非线性纵荡平衡方程为
静水中螺旋桨有效推力Teu;n=(1-tp)×ρn2D4KTJ.根据本文第2.2
节可拟合得到推力系数KT和阻力R的多项式系数,并将其以多项式的形式代入方程(4)中.根据本文第2.3节计算得到Xw≈fsinkξG,船舶重心与波浪的相对速度为ξ·G=u-cw,最终得到
Melnikov方法可以有效解决非线性系统的运动问题,研究船舶骑浪运动的同宿分岔和异宿分岔.[12]在船舶随浪航行中,异宿分岔点可以等效为骑浪与波阻的平衡临界点.应用Melnikov方法求解式(5)可以得到转速n的方程为
2.2推力、阻力曲线的多项式拟合
2.3波浪纵荡力的计算
通过船体甲板中心线的纵向垂直平面将船分成左右对称的两部分,式(4)中的Xw可以认为是一阶近似的FroudeKrylov力,即可认为Xw≈fsinkξG,式中:波速k=2π/λ;f为波浪纵荡力幅值[5].
式中:μx是考虑绕射影响的修正因数;ξa是相应海况的波高;FC和FS是FroudeKrylov力的组成部分,由式(10)(其中Bow是船首,Stern是船尾)计算得到.
对式(10)进行数值离散,得到方便计算机求解的离散形式:
2.4临界弗劳德数和临界转速计算
割线法是函数逼近法的一种,基本思想是用区间tk-1,tk或tk,tk+1上的割线近似代替目标函数的导函数的曲线.临界转速和临界弗劳德数的平衡方程是一个一元五次方程,故存在多解的情况.为得到合理的临界转速和临界弗劳德数,需要人为控制解的上下限初始值.
通过割线法求解式(6),得到相应海况下对应的临界转速ncr,然后运用割线法求解推力与阻力的平衡方程(12)得到船舶发生骑浪的临界速度ucr,则最终得到相应海况临界弗劳德数Frcr=ucrgLBP.
2.5船舶骑浪/横甩第一、二层薄弱性计算步骤
根据第2.1~2.4节,得到临界弗劳德数Frcr,结合波浪谱计算Nλi=1Naj=1WijC2ij和Nλi=1Naj=1Wij,得到短期海况下的骑浪概率,最终计算不同航速下对应的薄弱性衡准数C,其具体计算流程见图2.
3计算实例
3.1C11集装箱船第二层薄弱性计算
C11船型是实验船型,本文计算这种船型的第二层薄弱性,并将计算结果与IMO给出的参考结果进行对比.
要得到短期海况中发生骑浪的概率需要计算Nλi=1Naj=1WijC2ij和Nλi=1Naj=1Wij,分别计算8181种海况,波长与船长比λ/LBPj分布从1.0到3.0,波长与船长比差Δλ/LBP=0.025,共81个波长.波高与波长比即波陡H/λi分布从0.03到0.15,波陡差ΔH/λ=0.0012,每个波长对应101个波高.由式(6)可得每个短期海况对应的临界转速,由式(12)可得每个短期海况对应的临界弗劳德数.部分临界弗劳德数计算结果见图3,部分临界转速计算结果见图4.
根据式(2)可得C11集装箱船发生骑浪/横甩的衡准数C.通过自编程序最终可得C11船型临界转速、临界弗劳德数与衡准数C的分布情况,与IMO给出的C11船型衡准数C进行比较,其结果如图5所示.由式(6)可知,影响计算结果的主要因素是波浪纵荡力幅值f的计算.本文计算得到的f与IMO给出的参考值的误差百分比对比情况如图6所示.IMO给出的参考值表明,C11船型在弗劳德数为0.33时易发生骑浪/横甩.本文计算结果是C11船型在弗劳德数为0.32时易发生骑浪/横甩,两者仅在最小有效数位上相差1,即相差3%.由图6可知,f的误差百分比最大不超过0.21%,故可认为计算结果有效、可靠.
3.2其他船型第二层薄弱性计算
要验证第二层薄弱性衡准评估方法的合理性和
可靠性,需计算不同的船型,特别是需要计算大量的实船.为此,还分别计算了300t和800t渔政船以及16000t,26000t,46000t和50000t成品油船,其中较有代表性船型的衡准数C计算结果见表2.
从表2中可知,易发生骑浪/横甩现象的弗劳德数在0.31到0.35之间,较符合目前观察到的真实情况.另外,小吨位船舶因为航速较高所以发生骑浪/横甩现象的风险大.例如300t渔政船的设计弗劳德数为0.43,远远大于其易发生骑浪/横甩现象的临界弗劳德数0.31,未通过骑浪/横甩第二层薄弱性评估,需要进行直接模拟评估.
4结论及展望
本文采用的骑浪/横甩第二层薄弱性衡准评估方法与IMO推荐的方法相比存在一定的误差,但误差在可接受范围内.表2的结果表明,发生骑浪/横甩现象的船舶主要是小型快速类船舶,大型油船等不易发生骑浪/横甩现象.在实际应用中,易发生骑浪/横甩现象的小型船舶资料并不全面,很多船舶缺少推力曲线或阻力曲线.缺失部分的数据可以采用计算机数值模拟的结果,但其影响还需进行进一步的评估.
IMO提出的新一代完整稳性的衡准技术框架分为三层结构,本文主要提供了骑浪/横甩第二层薄弱性衡准的数值计算方法.接下来将对大量实际船舶进行验证计算,并在大量船舶计算数据的基础上,对骑浪/横甩第二层薄弱性衡准评估的计算方法进行进一步简化.目前,国内对骑浪/横甩第三层薄弱性衡准校核即直接数值模拟研究较少,还需从以下两个方面展开研究:(1)在船池中模拟出骑浪/横甩现象,研究这种现象发生的机理,为航行操作提供理论支持;(2)根据船舶四自由度耦合运动方程,即纵荡横荡横摇艏摇,其他自由度满足静平衡,恰当模拟船体泄涡导致的水动力(包括波浪粒子速度与船体前进速度共存导致的水动力升力和力矩),对骑浪/横甩现象进行直接数值模拟.
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