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1、 船舶波浪稳性及倾覆机理船舶波浪稳性及倾覆机理 天津大学建筑工程学院 天津大学建筑工程学院 船舶工程系 船舶工程系 2010.3 前 言 稳性是船舶安全性的重要指标。稳性衡准是衡量船舶稳性状态的标准。衡准方法及相应标准的合理 性，直接关系船舶的航行安全，并与船舶的经济性及适航性等性能密切相关。制定出合理的稳性标准， 一直是船舶设计、航运部门十分关心的问题。 船舶稳性包括完整稳性与破舱稳性， 完整稳性是指船舶未破损时受到外力作用发生倾斜而不致倾 覆，当外力作用消失后，仍能回复到原平衡位置的能力。破舱稳性是指船体破损海水进入船体内时，船 舶仍能保持一定的浮性和稳性而不致沉没或倾覆的能力。 关于船舶
2、完整稳性的衡准，百余年来，随着船舶原理方面研究的进展，经历了一个从先验法、确定 性力学分析法到目前的概率评价方法的发展过程。先验法的代表是 1939 年芬兰的学者罗荷拉（Rohola） 提出的稳性衡准。罗荷拉在他的博士论文中，对建立切实可行的稳性衡准提出了很有价值的见解。这篇 论文以 30 余件倾覆事件的官方调查为依据， 并有效地应用了当时的理论进行了科学分析。 罗荷拉把复原 力臂GZ的数值、最大复原力臂对应的横倾角 m 和复原力臂曲线下的面积e作为依据。他所建议的综 合衡准如下： 横倾角 = 20 mGZ14. 0 =30 mGZ20. 0 35 m r =时，面积radme08. 0 其中
3、界限角 r 定义为 m 、淹没非水密开口的倾斜角、移动载荷的倾斜角或 40中的最小值。罗荷 拉的衡准有重要的价值， 并被采纳作为几个国家的稳性标准的基础， 包括 1969 年国际海事组织所公布的 标准。但是先验法有它的致命缺陷，它欠缺理论指导的规律，在没有经验可借鉴的新型船舶的设计上， 先验法就失去了的作用。 确定性力学分析法要追溯到 1935 年 Pierrottet 提出的通过分析船舶受力所引起的船舶倾覆的评定船 舶稳性的力学方法。但是由于当时船舶设计者对风、浪等复杂的自然现象及其作用下船舶的倾覆机理缺 乏认识和处理方法，而没有被采纳。直到波浪和船舶耐波性理论发展起来之后，能够通过力学分析
4、的手 段来解释船舶稳性问题时，Pierrottet 评定船舶稳性的力学方法才被采用。目前，世界各国及我国现行方 法就是确定性力学分析法(分别以规范、规则、标准及建议的形式颁布)。这些稳性衡准的实施，为避免 船舶因稳性不足而发生海难事故、保证航行安全起到了重大的作用，并将在今后相当一段时期内继续发 挥作用。但是由于认识的局限和理论研究的不完善，目前确定性力学分析方法仍是以船舶处于横风横浪 联合作用作为基本物理模型， 此种衡准方法将动态的波浪拢动力视为静力， 将非定常的环境条件为定常， 2 将随机的风、浪视为确定性的外力，而且忽视了船舶在其他航行状态(如随浪、尾斜浪)下的稳性，致使 有不少船舶在满
5、足现行稳性标准情况下，却在随浪、尾斜浪航行中倾覆沉没，造成重大损失。实践证明： 现行的稳性标准有局限性，是不完善的， 需要进一步补充和改进。 概率评价方法是近些年发展起来的。由于船舶的波浪载荷和风载荷具有随机性，这就导致船舶倾覆 是一个具有一定概率的随机事件，如何确定该随机事件的发生概率即船舶倾覆概率，理应成为急需解决 的问题。 近年来，完整稳性衡准的研究在以下两个方面得到学者的关注并取得了深入发展： （1）完善目前的 稳性衡准（确定性的力学）方法，并考虑随浪、尾斜浪航行中船舶倾覆的研究； （2）发展概率评价方法， 引入倾覆概率计算理论。 破舱稳性概率评价方法开展比较早，目前世界各国及我国现行
6、破舱稳性衡准方法都已采用概率评价 方法，并已写入相应的规范、规则、标准及建议之中。我国船舶与海上设施法定检验规则 （2004）中 的国际航行海船法定检验技术规则及国内航行海船法定检验技术规则都有“客船的分舱和破舱 稳性”和“货船的分舱和破舱稳性”概率评价方法的具体规定。 本课程主要内容为介绍现行稳性衡准的现状及存在问题；分析船舶在波浪中导致船舶倾覆的危险状 态；阐述船舶在随浪中倾覆的机理及稳性计算方法。 船舶倾覆是造成人员及财产重大损失的严重事件，历来受到造船界与航运界的极大重视。船舶倾覆 因涉及到船舶外载荷的随机性和大幅度横摇的强非线性，而使问题十分复杂。由于学时和篇幅所限，本 课程仅介绍了
7、随浪中几种典型船舶倾覆及稳性计算方法，今后将逐步深入完善！ 内 容： 前 言 2 3 页 第一章 船舶波浪稳性 4 18 页 第二章 导致船舶在波浪中倾覆的危险状态 19 29 页 第三章 船舶在随浪上航行时的参数共振现象 30 43 页 第四章 随浪中船舶倾覆的第三种模式横向急转 44 55 页 3 第一章第一章 船舶波浪稳性船舶波浪稳性 第一节 第一节 现行稳性衡准简介现行稳性衡准简介 一、 海船稳性规范海船稳性规范(或标准或标准)的稳性要求的稳性要求 目前，世界各国现行海船稳性规范和标准综合为下列几个方面要求： (1) 初稳性高度 GM； (2) 稳性曲线特征值包括最大静稳性臂， 最大静
8、稳性臂对应横倾角，稳性曲线消失角，静稳性 曲线下的面积等要求； (3) 气象衡准横风横浪联合作用下的动稳性要求； (4) 各种专用船舶相应附加要求如客船旅客集中一舷时的横倾角， 回航时的横倾角， 渔船操作， 拖轮急牵状态的要求等。 (一) 各国现行海船稳性规范和稳性标准对初稳性高度及稳性曲线特征值的要求： 主要内容下表。 初稳性高度 GM (m) 最大静稳性臂 max l(m) lmax 对应横倾角 max () 稳性消失角 v () 中国 ZC 0.15 0.20 30 （55） 苏联 PC 0 (L20m，0.5m) L80m，0.25 L105m，0.20 30 60 海协 IMO 劳氏
9、 LR 0.15 0.20 30 日本 NK 0 0.0215B 或 0.275 取大者 由上表可见各国对初稳性高度和静稳性曲线特征值的要求有以下不同点： （1）苏联 PC 对小船要求较为严格； （2）日本对最大静稳性臂值要求最高； （3）最大静稳臂对应横倾角max除日本没有要求外，其他国家要求基本相同。稳性消失角v只有 ZC和PC有要求，ZC要求略小。 (二) 各国海船稳性规范(或标准)的气象衡准： 1、 中国中国（船舶与海上设施法定检验规则）(ZC) (2004 年)： (1) 稳性衡准数 K： 1 1 qf qf kMM kll = =或 式中： 最小倾覆力矩， 吨*米； q M 风压倾
10、侧力矩， 吨*米； f M 最小倾覆力臂，米； q l f l风压倾侧力臂，米。 4 (2) 风压倾侧力矩或力臂分别按下式计算： Mflf = = /001.0 001.0 ZPAl ZPAM ff ff 式中： P单位计算风压， 公斤力/ 米 2 船舶受风面积， Af米 2 Z受风面积中心至水线的距离，米 所校核装载情况下的排水量，吨 （3）最小倾覆力矩或力臂的确定： Mqlq B 0 图一 0 j (M )lk A (M )l qq 图中： 计算所得横摇角； 0 进水角； j 面积 A=面积 B 2、 苏联苏联规范（PC） ： （1）船舶稳性应满足： K=MM cv 10 . 式中： M最
11、小倾覆力矩； c v A Z v M 最小倾侧力矩； 对在严重风浪情况下工作的船 （如气象船） 的 K 值应经登记局按实际情况特别考虑， 建议不小于 1.5。 对船长小于 20M的船不需要校核气象衡准。 (2)风压倾侧力矩按下式计算： 吨*米 MP vv = 0001. 5 式中： 单位计算风压，公斤力/ Pv米2 船舶受风面积， Av米2 Z受风面积中心至水线的距离，米 (3) 最小倾覆力矩 的确定方法与(图一)相同。 Mc 3、 国际海事协商组织国际海事协商组织(IMO)： (1) 在各种装载情况下，船舶抵抗横风和横浪联合作用的能力应如下： a. 船受到一个定常风压作用，而形成一个定常风倾
12、力臂，船平衡于； 1W l 0 b. 假定由于横浪的作用，船由平衡角0向上风一舷横摇到1角度； c. 然后受到一阵风动力作用，形成突风倾侧力臂； 2W l d. 要求图二中面积BA。 1 A 0 图二 0 l w1 l 2 2c w l B 图中： 定常风作用下的横倾角； 0 由于浪的作用向上风一舷横摇的角度； 1 进水角或或第二个交角2 j 500c，取三者最小者。 (2) 风倾力臂l和按下式计算： w1 lw2 l PAZ w1 = 米; lw215lw1= . 米 式中： P=0.0514吨/； 米 2 A水线以上船和甲板货的受风面积， ； 米 2 Z受风面积中心到吃水一半处的距离， 米
13、； 排水量， 吨。 6 4、日本日本船舶稳性规范(NK)： 要求，见图三； SS 1 2 图 三 1 2S 0 0 l f 1.5l S1S GZ 2 S1 图中： 风倾力臂，按下式计算： l l PAZ = ， 米 式中： P=0.0514吨/ 米 2 A受风面积， 米 2 Z受风面积中心至吃水一半处的距离，米， 进水角，度 f 横摇角，按下式计算： 1 1 138 = S N ， 度 式中： d OG 6 . 073. 0+= OG重心在水线以上的高度，米； d平均吃水，米； N系数，对有舭龙骨的普通船型船舶取N=0.02； S=0.151-0.0072T T船舶横摇周期，按下式计算： T
14、 CB GM = 2 01. 秒 GM初稳性高度， 米 B船宽， 米 C B d L =+037250022700043 10 ().() 7 5、英国英国劳式船级社稳性衡准(LR) 对装载甲板货的船舶，在任何装载情况下，从水线到货物顶部侧向受风面积高度超过船宽的%的 船，应满足下列气象衡准的要求： 30 15 图四 2S 0 1 0 1.50 dy 2S=1S S1 GZ 图中： 0 = PAZ 米 (定常风压倾侧力臂) P=0.0485 吨/米2； A水线以上侧向受风面积，米2； Z受风面积中心至吃水一半处的距离，米。 衡准要求： (1) 甲板边缘入水角； 065 ., 1dede 2 （
15、2）当时，不大于进水角(SS 1=dy f )或40两者中之小者。 0 6、美国美国海岸警备队(USCG) 衡准要求： 在任何实际吃水时初稳性高度应不小于下式计算值。 GM PAh = tan 米 式中： P=0.055+ 2 1309 (L)，吨/米2； L两柱间长，米； A水线以上侧投影面积，米2； h从A的中心到水下侧面积中心或近似到吃水一半处的垂直距离，米； 1/2干舷处的倾角或14，取小者。 0 二、 对海船稳性气象衡准的简要分析：对海船稳性气象衡准的简要分析： 气象衡准的实质是由航行中船舶所受规定的风，浪等外力，计算出的倾侧力矩与船舶复原力矩的比 较来确定船舶是否满足最低稳性要求。目前假定船舶在风浪中受外力作用的物理模型有以下两种： 第一种模型： 假定船舶失去控制，处于无航速横对波浪发生共振横摇，当横摇到向风一侧的最大幅 度时，又遇到一阵突风的吹袭下，要保证船舶不倾覆。因此要求计及横摇后的船舶最小倾覆力矩应大于 或等于风压倾侧力矩。中国(ZC)和苏联(PC)稳性规范就是采用此种物理模型(见图一
