驱逐舰耐波性与人因中晕动症相关性分析

Chinese Journal of Ship Research - - 目 次 -

熊虎,卢晓平430033海军工程大学 舰船工程系,湖北 武汉

摘 要:舰船耐波性不仅是衡量舰船总体性能的重要指标,也对舰船上人员晕动症的发生有直接影响,因此,良DTMB 5415好的耐波性设计是保障舰员舒适度和绩效的基础。采用切片法理论编写耐波性计算程序,对 标模DTMB 5415进行耐波性计算,得到在迎浪中不同航速下船艏、重心处的垂向加速度响应,分析 标模对应的驱逐舰升沉运动时垂向加速度对人因中晕动症造成的影响,给出驱逐舰耐波性与人因中晕动症的数值关系。结果表明:船艏和重心处垂向加速度理论计算结果正确,准确度满足晕动症预报的要求;计算所得晕动症发生率规律合理,可作为驱逐舰船型晕动症发生率分析和预报,以及人因改善的资料。关键词:耐波性;切片法;人因工程学;晕动症;驱逐舰

0引言

随着舰船自动化程度的不断提升,舰员编制 数量持续减少,人因工程学的运用成为驱逐舰设计过程中不可分割的一部分。其重要性体现在2个方面:一是人因工程学的合理运用为减少舰

员数量,提高舰船自动化程度创造了条件;二是人因工程学的充分应用能直接提高舰员绩效,从而提升舰船的安全性及综合作战能力。据统计,约80%的灾难、事故、过失和失败归因于人的因素[1] (即“人因”) 。在海军舰船的设计和使用中,与人因联系最为密切的是舰船耐波性。人因的研究与舰船耐波性研究的关系大致可以表述为:耐波性研究是人因研究的重要基础和一个方面,而人因工程研究和人因问题的解决是耐波性研究的深入和主要应用目标之一。要深入和有效地开展海军舰船的设计和使用中人因的研究,必须具备坚实的耐波性研究基础。当前耐波性的研究方法主要有船模试验法、CFD方法和理论计算方法[2]。船模试验方法受到船模尺寸、流场扰动、测量精度、人为因素的限制,并且试验方法还需要耗费大量的人力、物力与财力,通过试验方法获取耐波性结果并不总是令人满意。近年来,CFD方法发展迅速,但由于船舶耐波性问题属于变化物面、带自由表面的非线性流动问题,船体摇摆运动、入射波运动、船舶航行和摇摆兴波等各种运动及其受力的叠加耦合极其复CFD杂,使得 在解决耐波性问题时精度不够、耗时巨大,难以获取理想的结果。势流理论计算方法主要有切片法、二维半方法和三维方法[3]。三维方法由于计算复杂且精度较二维方法并没有显著的提升,没有得到广泛应用;二维半方法是一种适于计算舰船高速运动时耐波性的方法,最近几年得到了广泛应用,计算结果较为准确;切片法是一种二维方法,经过半个世纪的发展,切片理论已成为耐波性的基本理论之一,常规的切片理论适于预报细长型舰船在斜浪中六个自由度的运动[4]。无论是模型试验方法、CFD方法,还是切片法、二维半方法和三维方法,国内耐波性的研究尚未发展到考量舰船设计和使用中人因问题的新层次,极少见到舰船耐波性与舰船人因指标相关性的研究。在国外,这方面的研究早见端倪,至今已初显规模。本文拟在耐波性切片法计算的基础上,针对DTMB 5415大型驱逐舰标模 开展耐波性与人因中晕动症关系的研究,得出晕动症与垂向加速度的相关性,以及改进船型和耐波性设计对降低晕动症发生率的重要性。

1 人因中的晕动症 1.1 晕动症的概述

晕动症是由最近存储线索与实际垂向线索之 间的感官冲突或不匹配造成的。按照惯例,在海洋环境中,认为晕动症最主要的组成因素是船舶垂向运动(垂荡、纵摇和横摇的垂直分量),因为船舶其他的线性运动和角运动对晕动症的影响通常较小[5]。

1.2 晕动症发生率经验公式

2006 2~3月,国外开展了一项研究,127 m年 Benchijigua Express 1)在加那长的三体渡轮 号(图利群岛(Canary Islands)之间的公海进行了多次2h运输作业。该船应用运动传感器和船用雷达仪器2 000提供海况信息。近 名乘客填写了详细的调60% ~查表。据报道,由于波高和航向的原因, 90%的乘客至少有一些晕动症的症状。笔者所在课题组曾在某预研项目中对高速三体船的适航性进行过系统、深入的研究,研究结果表明,等排水量的单体船相对于三体船的适航性、横摇稳性都会差一些。因此,在相同的航态和排水量条件下,常规单体驱逐舰上舰员出现晕动病症状的人数比127 m例不会低于国外对 三体船研究所得的结127 m果。在国外 三体船的研究中,作为晕动症卷(MSAQ评估问 )的项目,胃肠道症状的反应程度与被测试人员的航海次数成反比;在该项试验中,被试人员有着不同的航海经历,有些具有多次9航海经验(多于 班次),有些具有一定的航海经验(2~8班次),也有一些缺乏航海经验的(0~1班次),不同航海频次乘员构成的被试组正可以用于分析得出晕动症反应程度与航海次数的相关性。另外,在晕动症评估问卷中,黑暗的夜晚乘船旅行者比早晨(可以见到地平线时)及白天乘船旅行者得分高[6],即患晕动症的概率大。 通过研究志愿受试者发现,大多数晕动症发0.125~0.25 Hz生在船舶运动频率为 时。晕动症的发生率随加速度和遭受船舶运动时间的增加而增加。通常用于衡量晕动症的指标是晕动症发生率(Motion Sickness Incidence,MSI ),这也是受试人员遭受船舶运动后的呕吐百分比[6]。受试者坐在一个封闭、明亮的空调实验室中,

2h 2h经历 的单向正弦垂直加速度。选择 的时限,是因为晕动症发生率在持续一段时间后(经过一段时日,人们通常会适应船舶运动)不再增加。注意,这里不考虑纵摇和横摇。如果增加升沉分量可以预期到,则由非纯升沉加速度所导致的晕动症发生率超过预估值。利用国外该类项目实验McCauley 等[7 ]得出了预测晕动测试数据和结果,症发生率的估算公式: MSI =[ 100 ]×[ Φ ( Na )]×[ Φ ( Nt ′)] (1) 2h式中:MSI 为晕动症发生率,按舰员遭受 船舶运动后的呕吐概率定义;Φ 为高斯分布概率密度的累积值,即高斯概率密度函数的不定积分,其表达式为z -x2 Φ(z) = 1 dx ( ) e 2 2 2π 0式中,z为标准正态变量。式(1)中,Na,Nt ′为与船体在波浪中升沉运动的垂向加速度 a 、频率 f 和时间历程 t 相关的物理量,其估算公式为: Na = 2.128 lg ( a )- 9.277 lg ( f )5.809 ( lg ( f ))2 - 1.851 (3) (4) Nt ′ = 1.134Na + 1.989 lg ( t )- 2.904式中:a 为垂直加速度的有义值,g ;t 为测试对象遭受的时间历程,min;f 为船体在波浪中的升沉运动频率,Hz。当 Na 和 Nt ′ 为正值时,Φ 通过查阅数学手册确定,或由式(2)计算得到;当 Na 和Nt ′为负值时,Φ由以下关系计算得到: 5 Φ (- z )= 1 - Φ ( z) ( ) Colwell认为,晕动症发生率简化公式的计算McCauley结果与 所得的数据相符,即平均误差不1%、标准偏差不超过6%[8]。超过

2 规则波中的标模晕动症发生率计算 2.1 规则波中纵摇与垂荡运动

由于舰船晕动症最主要的原因是船舶的垂向运动,通常迎浪时的垂向运动最为剧烈,故可以认为,若舰船在迎浪状态满足垂向运动数值范围,则其他浪向总能满足要求。一般在艏楼常有较大的STF加速度,因此,根据 方法,通过编程计算标DTMB 5415模 在迎浪中不同航速下艏部和重心处的垂向绝对加速度响应[9]。假设重心在自由液面处。 建立固连于船的坐标系o - xyz 。其原点o在船重心G 上,xGy 平面平行于静止时的载重水线面,Gx 轴正向指向船艏,xGz 平面在船的纵中剖面上, Gz 垂直向上,坐标系与船一起移动和振荡。垂荡和纵摇的耦合方程可表示为( m + A11) z + B11 z + C11 z + A12 θ + B12 θ+ C12 θ = Fc cos ω t - F sin ω et (6) e s ( I + A )θ + B θ + C θ + A z + B z+ 22 22 22 21 21 C z = M cos ω t - M sin ω et 21 c e s式中:m 为排水质量;z 为垂荡运动值;I 为纵摇惯性矩;θ 为纵摇角;A11为垂向附加质量;A 为22纵摇附加惯性矩; A12 为垂荡与纵摇耦合系数; A 为纵摇与垂荡耦合系数;B11为垂荡阻尼力系21数;B 为纵摇阻尼力系数;B 为垂荡与纵摇阻22 12尼耦合力系数; B 为纵摇与垂荡阻尼耦合力系21数;C11为垂荡复原力系数;C 为纵摇复原力系22数;C12 为垂荡与纵摇复原力耦合系数;C 为纵21摇与垂荡复原力耦合系数;F c,F 分别为扰动力s系数的实部和虚部; M c,M 分别为力矩系数的s实部和虚部;ω 为遭遇频率;t为遭受船舶运动的e时间。由式(6)可得: z = zc cos ω t - z sin ω t = za cos ( ω t + εzζ ) e s e e θ = θc cos ω t - θ sin ω t = θa cos ( )( 7 ) ω t + εθζ e s e e式中:z = z + z ,为升沉运动幅值,其中,z 和2 2 a c s c z 分别为垂荡的余弦与正弦值; θa = θc + θ ,为s s纵摇运动幅值,其中,θc 和 θ 分别为纵摇角的余s z -1 s弦与正弦值; εzζ = tan ,为升沉与波浪相位; zc θs -1 ε = tan ,为纵摇与波浪相位。θζ θc在上述方法的计算程序中,波幅取 ζa = 1 ,计算 za 和 θa ,解出舰模升沉、纵摇的频率响应,进而得出切片的绝对垂向加速度8 axa =- ωe 2z ( ) xa zxa = zxc + zxs 2 2式中: zxc = zc - (x - x g)θc ,其中 x 为 x 轴方向距g zxs = z - (x - x g)θs s重心的距离。舰模的遭遇频率为ω2 9 ω = ω - v cos β ( ) e g式中:ω为波浪圆频率;g 为重力加速度;v 为航速,m/s ;β 为浪向角。

0.1,0.2,0.3,航行状态分别取傅汝德数 Fr = 0.4,0.5,0.6,0.7 0.8,浪向角和 β = 180°(迎浪),计DTMB 5415算标模 船艏和重心处的垂向加速度, 2 3所得值分别如图 和图 所示。图中,H 为有义13波高。 4 DTMB 5415 0.2,0.3,0.4图 中对 在 Fr = 和0.5 献[9]所给驱逐舰 0.263,0.351,0.409与文 Fr = 0.468的艏部垂向加速度进行了对比。文献[9]和 DTMB 5415中驱逐舰船型与 船型同属方艉驱逐舰船型,且船型参数与傅汝德数接近,其垂向加速4度特性大致相当,具有可比性。由图 可知,两驱逐舰的垂向加速度曲线趋势较为一致,数值上大致吻合,其吻合程度已足以说明本文垂向加速度DTMB 5415计算方法的正确性和有效性。当然,由于为国外典型驱逐舰船型,文献[9]中所给驱逐舰为国内早期船型,二者的垂向加速度值存在偏差也DTMB 5415在情理和预期之中。对于国外典型驱逐舰的耐波性模型试验和更详细的理论计算方法,作者正在研究之中,这些工作可进一步验证本文计算方法及结果的正确性和有效性。

2.2 晕动症与垂向加速度关系的计算与分析

1.2根据 节给出的晕动症发生率计算公式及2.1节中的相关计算结果,可计算出所求驱逐舰标DTMB 5415模 对应的驱逐舰在各航态下相应运动频率的晕动症发生率,这里给出一个算例。DTMB 5415,计算对应算例:根据驱逐舰标模 2m的驱逐舰在典型有义波高 H = ,典型航速(巡13航速度附近)Fr=0.28时,船艏处的晕动症发生率。Fr=0.28 2当 时,由图 可知船艏处的垂向加速0.282g。上文已确定大多数晕动症发生在度值为 0.125~0.25 Hz船舶运动频率为 之间,这里取运0.15 Hz动频率 进行计算,步骤如下: 1)将数据代入式(3),可得 Na1 = 0.673 ; 2)将 式(4),人其代入 员遭受船舶运动的时2h间取 ,可得 Nt1′ = 1.995 ; 3)查阅标准正态分布表,可得Φ(Na1) = 0.56 ,Φ(Nt1′) = 0.91 4 1),得)将以上数据代入式( 到 MSI = 1 50.96,即晕动症发生率为50.96%。重复上述步骤,计算得到各有义波高下相应DTMB 5415运动频率和航速的晕动症发生率。标模1对应的驱逐舰晕动症发生率如表 所示,相应的5三维视图如图 所示。5可知,在大多数航态下,DTMB 5415由图 对应的驱逐舰晕动症发生率均较低。由于我国驱逐舰排水量较美国“阿利·伯克”级驱逐舰小,在波浪中的摇摆运动(含垂向运动加速度)会更大,初步预期国内驱逐舰晕动症发生率会比上述针对美国“阿利·伯克”级驱逐舰所得结果更高。国内驱逐舰,从舰船耐波性的角度优化船型或采取其他改

善耐波性的设计和运营措施,降低驱逐舰的垂向加速度值,从而减弱晕动症发生的主要因素,减少晕动症对驱逐舰整体性能的影响十分必要,对进一步提高国内驱逐舰的作战性能和人因指标均有重要意义。

2.3 结果验证

用上述验证方法,同样计算驱逐舰标模对应m的驱逐舰在有义波高 H = 2 ,典 型 航 速13 54.19%,比Fr = 0.28时,船艏处晕动症的发生率为50.96% 3.23%文中计算值 要大 ,误差在合理范围之内。使用该方法,计算各航态下船艏和重心处2的晕动症发病率,所得晕动症发生率如表 所示, 6相应的三维视图如图 所示。将采用验证方法所2 1得表 数据与文中方法计算所得表 数据进行对5%左右,说明本文所使用的计算方比,误差均在法准确性较好。

3结语

随着海军舰船的不断发展,舰船设计将不可避免地与诸如人因工程等新理念相结合,需从多学科、多层次考量提升驱逐舰的耐波性、操纵性、波浪中稳性以及舰员的绩效、居住舒适度,降低人的因素对舰船战斗性能的不利影响。

DTMB 5415本文计算了标模 各航态下迎浪运动时艏部和重心处的垂向加速度值,并进一步计算了不同垂向加速度值时舰员发生晕动症的概率。当然,晕动症是一个受人的自身精神状态、光照、声音、气味、船体运动状态等诸多因素共同作用影响的病症,此处只是将晕动症的主要影响因素(垂向加速度值)纳入考虑范围,可以大致预测出驱逐舰耐波性与舰员晕动症发生率之间的数值关系。未来可以经过实船试验研究,验证理论计算的准确性,完善理论计算方法,并进一步总结舰船耐波性与晕动症的数值关系,以作为舰船设计过程中耐波性和人因工程设计的一个参考。

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1图 澳大利亚建造的三体船Fig.1 Australian-built trimaran Benchijigua Express

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