船舶耐波性及其評價方法綜述

1、船舶耐波性及其評價方法綜述熊云峰熊文海（武漢理工大學，武漢430063）摘要：隨著人們對船舶在波浪上的航行性能愈來愈重視，船舶耐波性的好壞已成為衡量現(xiàn) 代化船舶航行性能的重要衡準之一，本文通過對船舶耐波性的分析，總結(jié)了船舶在波浪中航 行時的耐波性衡準，并對各種船舶耐波性評價方法作了較為全面的介紹和總結(jié)，同時提出了 今后研究工作的方向和重點。關(guān)鍵詞：船舶耐波性；衡準；評價；綜述1引言船舶耐波性及其評價方法是船舶設(shè)計和航海人員及海事管理部門都十分重視的研究課 題。尋找使用方便且行之有效的船舶耐波性評價方法與衡準也一直是船舶耐波性研究人員所 追求的目的之一。但由于船舶耐波性問題的復雜性，迄今尚無統(tǒng)一

2、的耐波性衡準指標，船舶 耐波性評價方法也多種多樣。因此，深入了解以往研究所用的各種評估方法及其研究成果， 對于進一步完善船舶耐波性及其評價方法的研究，找到更加方便、合理、準確的評價方法， 減少船舶在風浪中發(fā)生危險的可能性，無疑具有重大的意義。為此，本文力圖對船舶耐波性 及其評價方法進行較為全面的介紹和總結(jié)，并提出今后研究工作的方向和重點，供船舶耐波 性研究人員參考。2船舶耐波性概述船舶耐波性是研究船舶在波浪中運動規(guī)律的一門學科。對商船而言，耐波性是指船舶在波浪擾動下，產(chǎn)生各種搖蕩 運動、砰擊、甲板上浪、失速、螺旋槳出水以及波浪彎矩等， 仍能夠維持一定航速在波浪中安全航行的性能。對于艦艇而 言，

3、我國海軍規(guī)定：“耐波性是指艦艇在一定海況下具有適 當?shù)呐烍w運動環(huán)境，以保證人員及各種武器、系統(tǒng)和其他裝 備能正常工作的能力”。對于船舶耐波性的研究，它是隨著船舶工業(yè)的發(fā)展和計 算機技術(shù)的發(fā)展而不斷在發(fā)展，但是研究船舶耐波性的基本 方法主要有兩種：（1）理論計算與分析法船舶在波浪中的搖蕩運動，從力學的觀點看，包括兩個 方面：一是剛體動力學問題，即船舶作為一般剛體在受到外 力作用下產(chǎn)生運動的問題。船舶在波浪擾動下的搖蕩運動同 周期性擾動力作用下的振蕩器的振動類似，因此，研究船舶 搖蕩運動歸結(jié)為建立船舶搖蕩運動的微分方程及求解。另一 方面是流體動力學問題。船舶在波浪中運動所受的外力主要 是流體作用力

4、。這些力的大小和變化與船舶以及流體相對運 動有關(guān)。一般采用流體動力學方法計算。這兩方面的問題是相互關(guān)聯(lián)的，即船舶運動影響它的受 力，而其受力又影響船舶運動。因此解決這類問題通常是尋 求船舶的受力及其運動量間的函數(shù)關(guān)系。（2）試驗方法在船舶耐波性的研究中，除理論研究外試驗研究也占極 其重要的地位。試驗包括實船試驗和船模試驗。試驗可以幫 助我們觀察海浪和船舶的運動現(xiàn)象，尋求內(nèi)在的規(guī)律性，驗 證理論計算結(jié)果。3船舶耐波性衡準船舶耐波性衡準是指在船舶受到波浪擾動而產(chǎn)生運動 的影響下，人員、船體或船舶上的系統(tǒng)（設(shè)備）能否進行作 業(yè)、完成任務(wù)的極限指標。船舶耐波性是由許多基本的耐波 性因素所決定，通常包括

5、六自由度的運動、線（角）速度及 線（角）加速度，以及諸如甲板上浪、螺旋槳出水、船首砰 擊等耐波性事件和暈船率等。由于船舶耐波性衡準同船舶的 任務(wù)、人員的素質(zhì)及系統(tǒng)（設(shè)備）的功能有著直接聯(lián)系，不 同的任務(wù)要求不同的系統(tǒng)（設(shè)備）正常有效地工作。因此， 很難對每一耐波性因素做出一個絕對統(tǒng)一的衡準，一般情況 下船舶耐波性衡準的設(shè)置主要考慮船舶安全性、作戰(zhàn)或作業(yè) 使用性、適居性三個方面的因素。在考慮了以上三方面因素 的情況下，不同的組織、不同的學者對耐波性衡準有不同的 建議：（1）中國船舶科學研究中心提出的耐波性衡準如表1所示:表1中國船舶科學研究中心耐波性衡準編號耐波性因素衡準值1單幅有義縱搖w（度）

6、C1/34.82單幅有義橫搖。（度）01/3163暈船率（2小時內(nèi)）%304有義垂向加速度（g）0.45100次振蕩中出現(xiàn)的砰擊次數(shù)36每分鐘甲板上浪次數(shù)0.57每分鐘螺旋槳出水次數(shù)（25%漿葉）0.5（2）北歐合作研究計劃也對船舶耐波性進行了綜合考察， 他們提出了如表2的預報船舶作業(yè)特性的基本耐波性衡準:表2北歐合作研究計劃耐波性衡準衡準要素商船軍船高速小艇垂向加速度均方根值(g)首垂向處橋樓處0.05-0.2750.150.2750.200.650.275垂向加速度均方根值(g)橋樓處0.120.10.1橫搖均方根值(度)6.04.04.0砰擊臨界概率0.01-0.030.030.03甲板

7、淹濕臨界概率0.050.050.05對于以航運為主的商船的耐波性衡準，Karppinen作了 比較全面深入的研究，提出了如表3所示的商船一般作業(yè)的 耐波性衡準：表3商船一般作業(yè)的耐波性衡準衡準要素定義及計量單位衡準值首柱處垂向加速度單幅均方根值(g)0.05-0.275橋樓處垂向加速度單幅均方根值(g)0.15橫向加速度單幅均方根值(g)0.12橫搖角單幅均方根值(度)6砰擊概率首柱后0.15L處且落向波面的臨界速度y = cr0.093 應(yīng)0.01-0.03甲板淹濕概率首部甲板上浪0.054船舶耐波性評價方法綜述船舶耐波性的優(yōu)劣直接關(guān)系到船舶的適居性、航行使用 性和安全性，船舶耐波性的好壞已

8、成為衡量現(xiàn)代化船舶航行 性能的重要衡準之一。因此，對船舶的耐波性作出科學評價 尤為重要。但由于耐波性問題的復雜性，至今國際上關(guān)于船 舶耐波性評價方法的研究，總的來說還沒有形成公認的實用 方法。目前國際上常用的船舶耐波性評價方法有：(1)以作業(yè)時間百分數(shù)作為耐波性評價指標來評估船舶的耐波性作業(yè)時間百分數(shù)是船舶在規(guī)定的裝載及環(huán)境條件下執(zhí)行任務(wù)時成功的作業(yè)的時間百分數(shù)；即：作業(yè)時間百分數(shù)二海 浪中可完成任務(wù)的時間/靜水中可完成任務(wù)的時間。在某一特 定航速浪向作業(yè)時間百分數(shù)預報的基本的步驟為：由試驗或計算得到各種響應(yīng)在整個有關(guān)頻率范圍的頻率響應(yīng)函數(shù)；就一系列譜峰周期的波浪譜計算響應(yīng)的均方根值，譜峰周期

9、應(yīng)覆蓋整個周期范圍；選定響應(yīng)的極限衡準值，就每當波浪周期計算出極限有義波高；計算每當波浪周期的作業(yè)時間和最后求出在整個海域的作業(yè)時間。作業(yè)時間百分數(shù)是直觀而明確的量化指標，它們不僅是 體現(xiàn)耐波性品質(zhì)的綜合指標，而且可以同經(jīng)濟分析相聯(lián)系， 從而對船舶的效益(作戰(zhàn)能力、運輸效率等)作出全面的評 價，因此是船舶營運決策及設(shè)計的一個重要依據(jù)。利用船舶的主要參數(shù)來表達船舶的耐波性由于通過各種模擬計算得到的船舶耐波性特征值有一 定誤差，而通過實驗方法獲得船舶耐波性特征值所耗費的人 力、物力和財力過于巨大，一些學者試圖尋找船舶主要參數(shù) 與耐波性的關(guān)系。這其中較著名的是貝爾斯通過對驅(qū)逐船舶型和耐 波性特征量之

10、間關(guān)系所做的深入研究，把反映耐波性能優(yōu)劣 的“耐波性品級”與船型的幾何特征用簡明的數(shù)學關(guān)系式直 接聯(lián)系起來，既可以評價船舶的耐波性，又可據(jù)此優(yōu)選最佳 耐波性的船型。貝爾斯認為，船舶耐波性指數(shù)R與以下8種 耐波性特征量相聯(lián)系:縱搖、垂蕩、在0站和20站的相對運 動、3站處的砰擊、0站處的垂向絕對加速度和垂蕩加速度、 20站的垂向絕對運動。在經(jīng)過深入分析后，貝爾斯認為，最 有影響的水下參數(shù)有6個:舯前水線面系數(shù)c、舯后水線面 系數(shù)c，吃水與船長比T/L，截至比C/匚舯前棱形系數(shù)c、 舯后棱形系數(shù)c ；船舶耐波性指數(shù)R與上述各參數(shù)間存在 簡單的線性關(guān)系頊經(jīng)過對20艘有代表性的船舶的計算分析， 回歸得

11、到下式：R=8.422+45.104 C +10.078 C -378.465d/L+1.273C/L-23.50L -15.8875cvpfvpa雖然這種方法簡單、經(jīng)濟、實用，但是其分析的過程不 清晰，只能用作理論估計分析使用，不能用于實際的船舶耐 波性評估。（3）用航行記錄儀記錄船舶在風浪中的實際運動狀態(tài)來評 估船舶的耐波性為了解船舶在實際風浪中的運動響應(yīng)狀態(tài)，日本東京商 船大學與日本郵船株式會社進行了合作，從1990年開始， 通過在一艘日本-北美-東南亞航線的集裝箱船上安裝航行資 料自動記錄系統(tǒng)，得到了大量的關(guān)于船舶在不同裝載狀態(tài)、 不同航行狀態(tài)、不同的風、浪條件作用下的船舶運動特征量

12、響應(yīng)值的實際資料。這些資料包括:時間、船位、航向、航速、 波高、升沉、橫搖角、縱搖角、船首上下加速度、縱蕩加速 度、垂蕩加速度的平均值、最大值和平均周期，以及相對風 向、風速的平均值和絕對風向、風速的平均值，共計26項內(nèi) 容。然后利用統(tǒng)計學的理論對這些實際風浪中船舶運動特征 量的分析，得到了許多真實而且重要的結(jié)論，如有義波高與 各船舶運動特征量的相關(guān)系數(shù)、有義波高與縱搖角的關(guān)系、 有義波高與橫搖角的關(guān)系、各船舶運動特征量的平均值與最 大值的相互關(guān)系、波高與航速的關(guān)系、波高與航速及各船舶 運動特征量的相關(guān)系數(shù)等。雖然這種方法準確可靠，但是成 本太高，實現(xiàn)的難度太大。（4）建立綜合的耐波性方程來評

13、估大風浪中船舶的安全性在考慮了耐波性的諸方面后，確定出每一個因素的臨界 狀態(tài)值，然后提出船舶耐波性的評估方程以此來評估船舶在 風浪中的安全性。評估方程如下：R = x (1 - P / P )xII ii=1式中：R為某海況下,以某浪向角和航速航行的安全性評估 值，R越大，則表明在此浪向角和航速下越安全.在進行評估 前要對給定的浪向角及航速進行穩(wěn)性計算，若穩(wěn)性不滿足要 求，則r =0,否則方程進行評估。P為根據(jù)實際波譜或譜計算公式求出的當前航向航速下 i的各響應(yīng)幅值或出現(xiàn)的概率；P為給出的各響應(yīng)幅值或概率允許出現(xiàn)的衡準。n為評估所需要考慮的因素個數(shù)。x.為權(quán)系數(shù)，其取值反映各響應(yīng)對安全性的影響

14、程度，根 據(jù)船舶的性能、使命、任務(wù)等而定。應(yīng)用這種方法，顯然較僅僅通過某些單項指標來評估船 舶在大風浪中的安全性更為全面。但是，到目前為止，各種模 擬計算都無法確切地真實反映船舶的實際運動狀態(tài)。因此， 所得到的各耐波性因素的響應(yīng)值或出現(xiàn)概率也就有或大或 小的誤差。船舶耐波性模糊綜合評價方法隨著模糊綜合評價方法的發(fā)展和廣泛應(yīng)用，國內(nèi)外一些 學者已正在將模糊綜合評價技術(shù)應(yīng)用到船舶耐波性綜合評 價上來，他們主要依據(jù)船舶耐波性的實測數(shù)據(jù)或利用理論計 算、圖譜預報的數(shù)據(jù)，在深入研究評價船舶耐波性指標的基礎(chǔ) 上,利用模糊綜合評判理論將船舶耐波性綜合評價問題轉(zhuǎn)變 為多準則系統(tǒng)評價問題，建立一種綜合評價船舶耐

15、波性的方 法一一船舶耐波性模糊綜合評判法，步驟如下：因素集的建立 因素集是影響評判對象的各種因素所組成的一個集合：U=，.,12n建立權(quán)重集在因素集中，各因素的重要程度是不一樣的。為了反映各因素的重要程度，對各因素ui(i=1,2,.,n)，由各權(quán)數(shù)組成的一個權(quán)重集儀= a，a， 12a 。C.建立評價集評價集是評判者對評判對象可能作出的各種總的評判結(jié)果所組成V=hv2，v o建立模糊隸屬度矩陣將各船的實際指標值，代入 相應(yīng)的隸屬函數(shù)中，即可得到單指標評價向量，并將其組合 在一起，得到模糊隸屬度矩陣R。模糊綜合評判采用合適的模糊算子，得到評價的 模糊集B=a.R。然后，用反模糊化方法,得出一個

16、清晰的評價 值。此方法比較新穎，可行性較大。但隸屬度函數(shù)的建立和 各指標權(quán)重的獲取都基于經(jīng)驗和大量的調(diào)查工作，而且建立 科學的評價指標體系較困難。因此，欲使此方法真正能夠得以 推廣使用，要做大量更為細致的工作。5結(jié)束語由于船舶耐波性問題的復雜性，要想建立一種科學的公認 的船舶耐波性評價方法比較困難，還需要做大量的科學研究 工作，解決許多關(guān)鍵問題，主要有：建立科學全面的船舶耐波性綜合評價指標體系和相應(yīng) 衡準指標，這是船舶耐波性評價的前提。應(yīng)詳細真實記錄實船運動狀況，建立船舶耐波性數(shù)據(jù) 庫。這是建立評價模型的基礎(chǔ)，也是驗證評價方法是否正確 實用的最有效依據(jù)。實船測記資料的分析和應(yīng)用，對描述船舶 在

17、風浪中的實際運動狀態(tài)有著重大的意義。但是，獲得這種 實際資料的成本實在太大，若要獲得各種不同船型的實際資 料實在過于困難。各國各研究單位應(yīng)加強合作。進一步加強對船舶耐波性評價方法所采需要的數(shù)學 模型及數(shù)學工具的開發(fā)研究。同時，應(yīng)深入研究實船運動狀 況紀錄資料。由于實船運動狀況紀錄資料的可信性和真實性 是模擬計算所無法替代的，因此，這兩方面的綜合研究有望 得到更科學的分析手段和結(jié)果。參考文獻1益其樂：“船舶耐波性的綜合評價”，第二屆全國船舶耐波性學術(shù)討論會論文,1981.3船舶耐波性專輯二中國造船1995.戴仁元、金輔華、秦鑫泉:船舶耐波性評估方法與衡準 船舶耐波性專輯中國造船增刊,1991.吳

18、秀恒:船舶操縱性與耐波性，人民交通出版社,1999王云天，古文賢：大風浪中漁船的安全性評估，大連水 產(chǎn)學院學報，1996.9劉暢，朱仁慶：船舶耐波性模糊優(yōu)化方法研究，華東船 舶工業(yè)學院學報，2002 16-6熊文海:船舶耐波性評價及其在航海安全中的應(yīng)用（武 漢理工大學碩士論文），2004.5徐昌文：模糊數(shù)學在船舶工程中的應(yīng)用，國防工業(yè)出版 社，1992Olson,S.R.,LCdr,An Evaluation of the seakeeping Qualities of Nava1 Combatants,NEJ Feb.1978.Smith,T.C.and Thomas III,W.L. “A Survey and Comparison of Criteria for Naval Missions ” DTRC/SND-1312-Ol Oct.1989.,Karppinen,T.: “ Criteria for seakeeping performance predictions” Technical Research Center of Finland .Technical Report ESP00 1987.Seakeeping of ship and its evaluation methodsreviewXiong yunfeng Xiong