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船舶耐波性及其评价方法综述
船舶耐波性及其评价方法综述
熊云峰熊文海
（武汉理工大学，武汉430063）
摘要:
随着人们对船舶在波浪上的航行性能愈来愈重视，船舶耐波性的好坏已成为衡量现代化船舶航行性能的重要衡准之一，本文通过对船舶耐波性的分析，总结了船舶在波浪中航行时的耐波性衡准，并对各种船舶耐波性评价方法作了较为全面的介绍和总结，同时提出了今后研究工作的方向和重点。
关键词:
船舶耐波性；衡准；评价；综述
1引言
船舶耐波性及其评价方法是船舶设计和航海人员及海事管理部门都十分重视的研究课题。
寻找使用方便且行之有效的船舶耐波性评价方法与衡准也一直是船舶耐波性研究人员所追求的目的之一。
但由于船舶耐波性问题的复杂性，迄今尚无统一的耐波性衡准指标，船舶耐波性评价方法也多种多样。
因此，深入了解以往研究所用的各种评估方法及其研究成果，对于进一步完善船舶耐波性及其评价方法的研究，找到更加方便、合理、准确的评价方法，减少船舶在风浪中发生危险的可能性，无疑具有重大的意义。
为此，本文力图对船舶耐波性及其评价方法进行较为全面的介绍和总结，并提出今后研究工作的方向和重点，供船舶耐波性研究人员参考。
2船舶耐波性概述
船舶耐波性是研究船舶在波浪中运动规律的一门学科。
对商船而言，耐波性是指船舶在波浪扰动下，产生各种摇荡运动、砰击、甲板上浪、失速、螺旋桨出水以及波浪弯矩等，仍能够维持一定航速在波浪中安全航行的性能。
对于舰艇而言，我国海军规定：
“耐波性是指舰艇在一定海况下具有适当的舰体运动环境，以保证人员及各种武器、系统和其他装备能正常工作的能力”。
对于船舶耐波性的研究，它是随着船舶工业的发展和计算机技术的发展而不断在发展，但是研究船舶耐波性的基本方法主要有两种：
（1）理论计算与分析法
船舶在波浪中的摇荡运动，从力学的观点看，包括两个方面：
一是刚体动力学问题，即船舶作为一般刚体在受到外力作用下产生运动的问题。
船舶在波浪扰动下的摇荡运动同周期性扰动力作用下的振荡器的振动类似，因此，研究船舶摇荡运动归结为建立船舶摇荡运动的微分方程及求解。
另一方面是流体动力学问题。
船舶在波浪中运动所受的外力主要是流体作用力。
这些力的大小和变化与船舶以及流体相对运动有关。
一般采用流体动力学方法计算。
这两方面的问题是相互关联的，即船舶运动影响它的受力，而其受力又影响船舶运动。
因此解决这类问题通常是寻求船舶的受力及其运动量间的函数关系。
（2）试验方法
在船舶耐波性的研究中，除理论研究外试验研究也占极其重要的地位。
试验包括实船试验和船模试验。
试验可以帮助我们观察海浪和船舶的运动现象，寻求内在的规律性，验证理论计算结果。
3船舶耐波性衡准
船舶耐波性衡准是指在船舶受到波浪扰动而产生运动的影响下，人员、船体或船舶上的系统（设备）能否进行作业、完成任务的极限指标。
船舶耐波性是由许多基本的耐波性因素所决定，通常包括六自由度的运动、线（角）速度及线（角）加速度，以及诸如甲板上浪、螺旋桨出水、船首砰击等耐波性事件和晕船率等。
由于船舶耐波性衡准同船舶的任务、人员的素质及系统（设备）的功能有着直接联系，不同的任务要求不同的系统（设备）正常有效地工作。
因此，很难对每一耐波性因素做出一个绝对统一的衡准，一般情况下船舶耐波性衡准的设置主要考虑船舶安全性、作战或作业使用性、适居性三个方面的因素。
在考虑了以上三方面因素的情况下，不同的组织、不同的学者对耐波性衡准有不同的建议：
（1）中国船舶科学研究中心提出的耐波性衡准如表1所示：
表1中国船舶科学研究中心耐波性衡准
编号
耐波性因素
衡准值
1
单幅有义纵摇
（度）
4.8
2
单幅有义横摇
（度）
16
3
晕船率（2小时内）%
30
4
有义垂向加速度（g）
0.4
5
100次振荡中出现的砰击次数
3
6
每分钟甲板上浪次数
0.5
7
每分钟螺旋桨出水次数（25%浆叶）
0.5
（2）北欧合作研究计划也对船舶耐波性进行了综合考察，他们提出了如表2的预报船舶作业特性的基本耐波性衡准：
表2北欧合作研究计划耐波性衡准
衡准要素
商船
军船
高速小艇
垂向加速度均方根值（g）
首垂向处
桥楼处
0.05-0.275
0.15
0.275
0.20
0.65
0.275
垂向加速度均方根值（g）桥楼处
0.12
0.1
0.1
横摇均方根值（度）
6.0
4.0
4.0
砰击临界概率
0.01-0.03
0.03
0.03
甲板淹湿临界概率
0.05
0.05
0.05
（3）对于以航运为主的商船的耐波性衡准，Karppinen作了比较全面深入的研究，提出了如表3所示的商船一般作业的耐波性衡准：
表3商船一般作业的耐波性衡准
衡准要素
定义及计量单位
衡准值
首柱处垂向加速度
单幅均方根值（g）
0.05-0.275
桥楼处垂向加速度
单幅均方根值（g）
0.15
横向加速度
单幅均方根值（g）
0.12
横摇角
单幅均方根值（度）
6
砰击概率
首柱后0.15L处且落向波面的
临界速度
=0.093
0.01-0.03
甲板淹湿概率
首部甲板上浪
0.05
4船舶耐波性评价方法综述
船舶耐波性的优劣直接关系到船舶的适居性、航行使用性和安全性，船舶耐波性的好坏已成为衡量现代化船舶航行性能的重要衡准之一。
因此，对船舶的耐波性作出科学评价尤为重要。
但由于耐波性问题的复杂性，至今国际上关于船舶耐波性评价方法的研究，总的来说还没有形成公认的实用方法。
目前国际上常用的船舶耐波性评价方法有：
（1）以作业时间百分数作为耐波性评价指标来评估船舶的耐波性
作业时间百分数是船舶在规定的装载及环境条件下执行任务时成功的作业的时间百分数；即：
作业时间百分数=海浪中可完成任务的时间/静水中可完成任务的时间。
在某一特定航速浪向作业时间百分数预报的基本的步骤为：
a.由试验或计算得到各种响应在整个有关频率范围的频率响应函数；
b.就一系列谱峰周期的波浪谱计算响应的均方根值，谱峰周期应覆盖整个周期范围；
c.选定响应的极限衡准值，就每当波浪周期计算出极限有义波高；
d.计算每当波浪周期的作业时间和最后求出在整个海域的作业时间。
作业时间百分数是直观而明确的量化指标，它们不仅是体现耐波性品质的综合指标，而且可以同经济分析相联系，从而对船舶的效益（作战能力、运输效率等）作出全面的评价，因此是船舶营运决策及设计的一个重要依据。
（2）利用船舶的主要参数来表达船舶的耐波性
由于通过各种模拟计算得到的船舶耐波性特征值有一定误差，而通过实验方法获得船舶耐波性特征值所耗费的人力、物力和财力过于巨大，一些学者试图寻找船舶主要参数与耐波性的关系。
这其中较著名的是贝尔斯通过对驱逐船舶型和耐波性特征量之间关系所做的深入研究，把反映耐波性能优劣的“耐波性品级”与船型的几何特征用简明的数学关系式直接联系起来，既可以评价船舶的耐波性，又可据此优选最佳耐波性的船型。
贝尔斯认为，船舶耐波性指数R与以下8种耐波性特征量相联系:
纵摇、垂荡、在0站和20站的相对运动、3站处的砰击、0站处的垂向绝对加速度和垂荡加速度、20站的垂向绝对运动。
在经过深入分析后,贝尔斯认为，最有影响的水下参数有6个:
舯前水线面系数
、舯后水线面系数
，吃水与船长比T/L，截至比C/L，舯前棱形系数
、舯后棱形系数
；船舶耐波性指数R与上述各参数间存在简单的线性关系。
经过对20艘有代表性的船舶的计算分析，回归得到下式：
R=8.422+45.104
+10.078
-378.465d/L+1.273C/L-23.501
-15.8875
虽然这种方法简单、经济、实用，但是其分析的过程不清晰，只能用作理论估计分析使用，不能用于实际的船舶耐波性评估。
（3）用航行记录仪记录船舶在风浪中的实际运动状态来评估船舶的耐波性
为了解船舶在实际风浪中的运动响应状态，日本东京商船大学与日本邮船株式会社进行了合作，从1990年开始，通过在一艘日本-北美-东南亚航线的集装箱船上安装航行资料自动记录系统，得到了大量的关于船舶在不同装载状态、不同航行状态、不同的风、浪条件作用下的船舶运动特征量响应值的实际资料。
这些资料包括:
时间、船位、航向、航速、波高、升沉、横摇角、纵摇角、船首上下加速度、纵荡加速度、垂荡加速度的平均值、最大值和平均周期，以及相对风向、风速的平均值和绝对风向、风速的平均值,共计26项内容。
然后利用统计学的理论对这些实际风浪中船舶运动特征量的分析，得到了许多真实而且重要的结论，如有义波高与各船舶运动特征量的相关系数、有义波高与纵摇角的关系、有义波高与横摇角的关系、各船舶运动特征量的平均值与最大值的相互关系、波高与航速的关系、波高与航速及各船舶运动特征量的相关系数等。
虽然这种方法准确可靠，但是成本太高，实现的难度太大。
（4）建立综合的耐波性方程来评估大风浪中船舶的安全性
在考虑了耐波性的诸方面后,确定出每一个因素的临界状态值,然后提出船舶耐波性的评估方程以此来评估船舶在风浪中的安全性。
评估方程如下:
式中:
为某海况下,以某浪向角和航速航行的安全性评估值,
越大,则表明在此浪向角和航速下越安全.在进行评估前要对给定的浪向角及航速进行稳性计算,若稳性不满足要求,则
=0,否则方程进行评估。
为根据实际波谱或谱计算公式求出的当前航向航速下的各响应幅值或出现的概率;
为给出的各响应幅值或概率允许出现的衡准。
n为评估所需要考虑的因素个数。
为权系数,其取值反映各响应对安全性的影响程度，根据船舶的性能、使命、任务等而定。
应用这种方法,显然较仅仅通过某些单项指标来评估船舶在大风浪中的安全性更为全面。
但是,到目前为止,各种模拟计算都无法确切地真实反映船舶的实际运动状态。
因此,所得到的各耐波性因素的响应值或出现概率也就有或大或小的误差。
（5）船舶耐波性模糊综合评价方法
随着模糊综合评价方法的发展和广泛应用，国内外一些学者已正在将模糊综合评价技术应用到船舶耐波性综合评价上来，他们主要依据船舶耐波性的实测数据或利用理论计算、图谱预报的数据,在深入研究评价船舶耐波性指标的基础上,利用模糊综合评判理论将船舶耐波性综合评价问题转变为多准则系统评价问题,建立一种综合评价船舶耐波性的方法——船舶耐波性模糊综合评判法，步骤如下：
a.因素集的建立因素集是影响评判对象的各种因素所组成的一个集合：
U={
，
，…,
}
b.建立权重集在因素集中，各因素的重要程度是不一样的。
为了反映各因素的重要程度，对各因素
（i=1,2,…,n），由各权数组成的一个权重集
={
，
，…，
}。
c.建立评价集评价集是评判者对评判对象可能作出的各种总的评判结果所组成V={
，
…，
}。
d.建立模糊隶属度矩阵将各船的实际指标值,代入相应的隶属函数中,即可得到单指标评价向量,并将其组合在一起,得到模糊隶属度矩阵R。
e.模糊综合评判采用合适的模糊算子,得到评价的模糊集B=α.R。
然后,用反模糊化方法,得出一个清晰的评价值。
此方法比较新颖，可行性较大。
但隶属度函数的建立和各指标权重的获取都基于经验和大量的调查工作,而且建立科学的评价指标体系较困难。
因此,欲使此方法真正能够得以推广使用,要做大量更为细致的工作。
5结束语
由于船舶耐波性问题的复杂性，要想建立一种科学的公认的船舶耐波性评价方法比较困难，还需要做大量的科学研究工作，解决许多关键问题，主要有：
a.建立科学全面的船舶耐波性综合评价指标体系和相应衡准指标，这是船舶耐波性评价的前提。
b.应详细真实记录实船运动状况，建立船舶耐波性数据库。
这是建立评价模型的基础，也是验证评价方法是否正确实用的最有效依据。
实船测记资料的分析和应用,对描述船舶在风浪中的实际运动状态有着重大的意义。
但是，获得这种实际资料的成本实在太大，若要获得各种不同船型的实际资料实在过于困难。
各国各研究单位应加强合作。
c.进一步加强对船舶耐波性评价方法所采需要的数学模型及数学工具的开发研究。
同时，应深入研究实船运动状况纪录资料。
由于实船运动状况纪录资料的可信性和真实性是模拟计算所无法替代的，因此，这两方面的综合研究有望得到更科学的分析手段和结果。
参考文献
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大风浪中渔船的安全性评估,大连水产学院学报，1996.9
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船舶耐波性评价及其在航海安全中的应用（武汉理工大学硕士论文），2004.5
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“Criteriaforseakeepingperformancepredictions”TechnicalResearchCenterofFinland.TechnicalReportESP001987.
Seakeepingofshipanditsevaluationmethodsreview
XiongyunfengXiongwenhai
（WuhanUniversityofTechnology，Wuhan430063,China）
Abstract:
Withmuchimportancebeattachedtomotionperformanceofshipsinsea,theseakeepingqualityhasbeenaimportantindexforweighingmotionperformanceofships.Thispaperanalyzestheseakeepingofship,summarizestheseakeepingcriteriaofshipsinsea,thencomprehensivelyintroducesandsummarizesdifferentevaluationmethodsofship’sseakeepingquality,finallyputsforwardtheorientationandstressofseakeepingevaluationforfutureresearch.
Keywords:
seakeepingofship;criteria;evaluation;review
作者简介：
熊云峰，男，武汉理工大学交通学院硕士研究生，研究方向：
船舶水动力性能研究。
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