船舶耐波性理论在航海中应用的探讨_船舶耐波性基本知识

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船舶耐波性理论在航海中应用的探讨

沈四林

摘要：对半个世纪以来，船舶耐波性理论的发展以及在造船中的应用作了概括地回顾，并对该理论应用于航海技术作了探讨，这将对航海技术的发展提供有价值的参考．

关键词:船舶；运动状态；耐波性理论

分类号:U661.323；U661.338

文献标识码：A

文章编号：1006-7736(1999)04-0026-05

A discuion on the application of ship 's

seakeeping theory to navigation

SHEN Hua(Navigation College,Dalian Maritime Univ., Dalian 116026,China)

Abstract：In this paper, the author makes a brief summary of the development of ship's seakeeping theory and its applications to ship design and building in the past half century, and discues the poible applications of the theory to ship navigation.The author hopes that it will be of value to promote the development of navigation technique.Key words: ship;state of motion;seakeeping theory

船舶的航海性能包括：浮性，稳性，抗沉性，强度，快速性，操纵性以及抵抗甲板上浪，抵抗拍底和抵抗螺旋桨出水等，甚至还包括船上的设备，仪器和人的适应性．从广义上来讲，船舶耐波性可以理解为保证船舶能在海上安全航行，并保持完成各项基本营运任务的各种航海性能的综合．船舶耐波性理论为预报船舶在海上的运动状态提供了一种途径和方法．半个世纪来船舶耐波性理论发展的回顾

1952年,丹尼斯和皮尔逊［1］将无线电噪音的理论应用于海浪，概率统计方法和谱分析成为研究不规则海浪的基本工具和手段，并开始把船舶运动看作为对海浪的一种响应．在这之前，各国学者主要是研究船舶在静水及规则波（波形为余弦曲线）中的运动．把不规则海浪和规则波联系起来的是皮尔逊海浪模型，波面升高

式中，ω，ε分别为规则波的频率和随机相位（0～2π）;A（ω）为波浪振幅谱;g为重力加速度.这个模型表明不规则海浪可以用无限个带有随机相位不同频率的规则波的叠加表示，同时，它还表明海浪的瞬时波面升高服从正态分布，进而可以证明海浪的幅值和波高服从雷利分布．应用概率论方法，可以计算出满足所需安全保证率要求的最大设计波高, 这将是估计船舶在波浪上受力和运动的主要的依据．

海浪谱表示波浪内部的结构，不同频率成分规则波所具有的能量，根据线性系统响应的原理，它同船舶运动谱之间有如下的关系

式中，Sζ（ω）为海浪谱；H1（iω）称为系统运动频率响应函数，它表示船舶输入和输出的特性．显然，获得系统运动频率响应函数就可以解决船舶在不规则海浪上的运动问题．1955年，科文.克劳科斯基应用流体动力学提出“切片理论”计算船舶的升沉和纵摇运动．以后，经渡边惠弘，格里兹玛，田才福造等人的不断改进.到70年代，新的“切片理论”成为预报船舶在波浪上摇荡性能的主要工具．因此，船舶的频率响应函数不但可以从模型试验得到，也可以用理论计算方法得到．根据船舶运动谱，可以预报船舶运动的各种特征参数．这就是谱分析方法应用于船舶运动研究的思路．

波浪弯距是确定船舶在波浪上总纵弯矩的关键问题．过去的强度规范是以标准波为基础，计算波浪（坦谷波形为标准波形）对船体的作用力．实际上,船舶在随机的海浪中航行时，波浪弯矩也是随机的，因此更为准确的办法是采用概率论的方法，确定波浪弯矩沿船长分布的规律和最大可能发生的波浪弯矩数值．1967年莫尔［2］发表了船模波浪弯矩的试验结果，1972年又发表了波浪弯矩有义幅值的计算公式．以后，刘易斯、奥奇等人根据波浪弯矩长期分布的谱密度，估计出船舶使用寿命期中可能发生的最大波浪弯矩值，作为可以接受的船体纵向强度破坏的概率设计标准［3］．目前，这个方法已被各国船级社采纳，成为指导船体结构设计的理论基础．

在恶劣天气中，由于出现了甲板上浪，拍底和螺旋桨出水等问题，为了保证船舶的安全，将人为地降低航速或改变航向．船舶在恶劣天气发生甲板上浪，拍底和螺旋桨出水事件的统计特性可应用耐波性理论方法进行预报．船舶在航行中发生上述现象取决于波浪与船舶的相对速度，并存在最小临界速度．在对船舶临界航速估算这方面，先后有奥奇、迈克尔、刘易斯、艾特森、北泽和细田等提出一些估算公式［4］．这些公式基本上都是以大风浪中发生甲板上浪，拍底和螺旋桨出水的概率超出一定界限为依据．例如，北泽和细田对集装箱船提出：甲板上浪概率的界限为0.01;拍底概率的界限为0.02;螺旋桨出水空转概率的界限为0.1．

由于海洋石油开发向深海发展，系泊船和浮动海洋结构的漂移成为关注的问题.实际上这是一个波浪与物体间相互作用的非线性问题，自70年代以来这个问题成为船舶耐波性理论研［5］究的一个新热点．

自60年代起，各国都先后建立起船舶耐波性水池，现在一些在理论上还不清楚的问题，如船在随浪和尾斜浪中的翻船，主要还需通过模型试验进行研究．

综合来看，船舶耐波性理论的发展，主要表现在两个方面:船舶流体动力学理论的发展和概率与数理统计理论的广泛地应用．现在，已经可以应用理论计算的方法来预报船舶在实际航行中的运动性能，按船主提出的船舶耐波性要求设计船舶在技术上已经可行．耐波性理论在航海中应用的探讨

船舶耐波性理论在航海中的应用将是多方面的，下面就耐波性理论在航海中应用进行一些探讨．

（1）航线的优化设计

可以根据海洋中长期气候资料、海流及海浪资料，结合船舶航海性能和装载情况为船舶设计出一条航线，该航线具有最短的航行时间，最少的燃料消耗，最低的船损和货损等最优的性能指标．这条航线与地球表面两点间最短距离的大圆航线并不相同，原因在于,为了节能应考虑到充分利用海流和海洋风以提高船舶的航速，同时应避免船舶过大的摇摆，甲板上浪，拍底和螺旋桨出水而带来的危险．航线优化设计可以采用动态规划建立优化数学模型，其具体的数学形式包括,地球坐标系中的船舶运动方程，船舶在波中的航速计算式和最优值函数三部分．

地球坐标系中的船舶运动方程为［6］

式中，（，θ）表示船舶地理位置（纬度，经度）；（UE，UN）表示海流速度的东和北方向的分量；α为船舶航向角；Δt为时间间隔;V为航速;R为地球平均半径．

船舶在波中的航速计算为

V＝V0（p）－VW(h,δ，p）

（4）

式中，V0（p)为船在功率p(B.H.P.)时的静水航速;h为有义波高;δ为相对波向角；VW为计及功率、波高、相对波向角后对船舶在波中航速的修正项，曾经提出过许多计算公式，可从有关资料中找到．

取最短航行时间为最优值函数，其递推的形式为

在计算时可以选取船舶航线起点和终点，用大圆线连接，并在两侧等间距地布置若干条大圆线，建立计算的网格，在船舶从一个网格节点到下一个网格节点的时间间隔内可设定船舶航速不变．显然，确定船舶在波中的航速是问题的关键之一，从船舶耐波性的角度，已经作了大量的研究．研究结果表明,当波浪有义波高在某界限以下时，航速将随波浪中阻力和风阻力的增大而减少，称为船舶在波中的失速；当有义波高在某界限以上时，航速主要受甲板上浪，拍底的限制，并随有义波高的增大而减小，此时应确定船舶的最大允许航速．现在可以用耐波性理论估算或模型试验的方法得到影响航速的有义波高的界限，以及失速的大小和最大允许航速．显然，由于海浪谱及其谱分析方法在应用中的局限性，实际航线应根据近期的天气和海浪预报进行适当修正．

（2）智能船舶驾驶

计算机辅助决策系统是实现船舶自动化驾驶的重要环节，其中有关船舶航行安全评估系统可以吸收船舶耐波性研究的丰富成果结合模糊逻辑判断得出．在这个方面笔者曾经作了一些有意义的探讨［7］，现说明建立评估模型的方法．

船舶倾覆的危险主要发生在尾斜浪或顺浪情况.首先应确定发生倾覆的危险因素，选择波向角，航速，波能集中比率和横稳性高作为引起船舶倾覆的四个危险因素，然后根据具体情况将危险分为四个等级．最重要的是确定各个危险因素对各危险程度的隶属函数.由于海浪的随机性,船舶倾覆事件也必然是随机事件，各个因素引起船倾覆的统计概率可以从船模倾覆系列试验中获得．在多数情况下，可以认为隶属函数具有正态分布的特征，其数学形式为

式中,a,b为待定的系数;Pi(ξ)为概率分布函数．由于每个危险因素在评估中的影响程度不同，对每个因素应配置不同的加权系数，称为权重．评估模型采用加权平均型

式中，ai为权重;rij为评估矩阵（i表示第i个因素，j表示四个危险等级），选择适当的概率值作为进入各危险等级的阈值;c为综合评定参数，取0.70为临界值．

对于多因素引起的船舶安全问题，主要包括船舶结构安全，装（卸）载安全，大风浪中航行安全等,原则上都可以采用上述方法建立安全评估模型．但是，由于建模的工作量非常庞大，目前看到的成果还很少．

（3）非标准重大件货的系固

非标准重大件货指海上油田井架，大型工业成套设备，机车车辆，高速船舶，大型变压器等，这些货物的共同特点是重量大，尺寸大，如果系固不当就会造成货物滑移、倾倒,酿成重大事故．决定系固方案和系固强度的技术关键是计算出作用于货物上的运动惯性力的大小和方向．由于运动惯性力取决于船舶在波浪中的运动性能，因此,耐波性理论为解决这类问题提供了相应的理论基础和各种经验计算公式．从安全角度出发，人们仅对可能出现的极大值有兴趣，如波高、横摇和纵摇角度以及垂荡幅度的极大值等，应用耐波性理论可以获得这些最大值的概率估计值，笔者曾对这个问题进行过讨论［8］．

作用于货物重心的合成运动惯性力为

式中,Fx,Fy分别为与甲板平行沿纵向和横向的惯性力;Fz为与甲板垂直方向的惯性力．单位重量产生的各个分力的计算公式分别为

式中,m,θm分别为最大纵摇和横摇角；Tφ，Tθ分别为最大纵摇和横摇周期； lx，ly，lz分别为货物重心至船重心的坐标距离；Tz,zm分别为最大垂荡周期和幅值，上述船舶运动参数可以根据耐波性理论求得．理论方法计算惯性力的好处，不但可以获得力的大小和方向，而且可以估计发生的概率，从而为系固结构的强度可靠性分析作好准备，这是其他计算方法所欠缺的．当然，理论计算也存在计算步骤多等缺点，但在计算机性能日益强大的今天, 这些缺点不会影响理论计算方法的推广和使用．

（4）船舶运动状态极短期预报［5］

由飞机在航空母舰的起降而提出的对船舶在未来极短期内运动要素的预报，使得现代控制理论在船舶耐波性研究中的应用引起广泛的注意．船舶运动状态极短期预报要解决的问题是，根据船舶运动的历史纪录能准确地预报船舶在以后几秒及十几秒内运动的幅值、速度和加速度．自适应滤波技术的采用可以免除船舶运动的先验统计知识，自动调节自身的参数．自适应滤波器的数学模型为

式中，为k-i 时刻的估计值．对式（16）可以利用递推最小二乘法，用新值代替旧值进行辨识，它的递推形式为

式中,P 为状态转移矩阵．

采用相位差分GPS技术，可以实现对船舶运动参数的测量，结合自适应滤波器的应用，船舶运动状态极短期预报在精度和可靠度上将有根本性的提高．可以相信，这项技术将在船舶自动化驾驶和船舶海上作业方面发挥重要作用．结 论

上面的讨论仅根据笔者的知识和理解，实际上还有一些地方没有涉及到．在我们即将进入21世纪之际，回顾半个世纪来船舶耐波性理论的发展和在造船业中的应用所取得的成就，对于航海技术在其发展的过程中吸收和采用耐波性理论研究成果会有很好的参考价值．同时，我们也相信船舶耐波性理论在下一个五十年的发展中也将十分关注在航海领域中的应用．

作者简介：沈 华(1948～)，男，副教授

作者单位：大连海事大学 航海学院，辽宁 大连 116026 参 考 文 献

［1］ Denis M St，Pierson W J Jr.On the motion of ships in confused seas［J］.Trans SNAME ,1953.56-74．

［2］ Moor D L.Longitudinal bending moment on models in seas［J］.Trans SNAME, 1967,109:117-165.［3］ 陶尧森.船舶耐波性［M］.上海：上海交通大学出版社，1985.184-211.［4］ 练 淦.海上船舶性能预报方法［M］．北京：国防工业出版社，1978.86-162． ［5］ 船舶耐波性专辑［J］.中国造船增刊,1991.1-58．

［6］ 郭 禹.航海学［M］.大连: 大连海事大学出版社, 1999.399-416.［7］ 沈 华，邹开其，黄鼎良.尾斜浪中操船危险性综合评估［J］.大连海事大学学报，1997, 23(4):11-14.［8］ 沈华.重大件货物单元惯性力计算［C］.大连海事大学校庆暨中国高等航海教育90周年论文集（航海技术分册）,大连:大连海事大学出版社, 1999.37-41.收稿日期：1999-05-05