超大型集装箱船参数横摇全面校核与安全评估

Chinese Journal of Ship Research - - 目 次 - 马骋远,马宁,王廷昊,顾解忡

摘 要:[目的]由于超大型集装箱船在波浪中稳性高的变化较为显著,对其参数横摇校核与安全评估要求较10 000 TEU高,因此,[方法]基于参数横摇模式,针对在迎浪中航行的某 集装箱船,对其各个装载状况逐一并2逐级进行计算。自主开发基于典型弱非线性三自由度模型的数值预报方法,对不满足第 层衡准要求的载况进行时域模拟,并综合考虑航速、波况的影响,全面探索其可能发生参数横摇的工况。[结果]根据衡准结果,得出2相应的安全性评估与规避措施:降低重心高度、适当提高航速、尽量避免船舶横摇固有周期约等于 倍遭遇周期10 000 TEU等均能有效避免参数横摇的发生。[结论]对 集装箱船进行的参数横摇全面校核评估能够更好地指导超大型集装箱船的总体设计,提高安全水平,具有较高的工程应用及参考价值。关键词:超大型集装箱船;参数横摇;直接计算;安全性评估中图分类号:U661.32 文献标志码:A DOI:10.3969/j.issn.1673-3185.2017.03.002

Comprehensive calculation and safety assessment of parametric roll of very large container ship

MA Chengyuan1,2,MA Ning2,3,WANG Tinghao1,2,GU Xiechong2,3 1 School of Naval Architecture,Ocean & Civil Engineering,Shanghai Jiao Tong University,Shanghai 200240,China 2 Collaborative Innovation Center for Advanced Ship and Deep-Sea Exploration,Shanghai 200240,China 3 State Key Laboratory of Ocean Engineering,Shanghai Jiao Tong University,Shanghai 200240,China

Abstract:As the significant variation of in waves for very large container ships, strict demands are GM raised for this ship type in the evaluation and safety assessment of parametric roll. Targeting a 10 000 TEU container ship sailing in head sea, this study conducts a series of calculations and evaluations on parametric roll motion in which each loading condition is calculated step-by-step. Direct calculation is conducted if neither Level 1 nor Level 2 is satisfied. In this paper, an independently developed time-domain simulation is conducted for loading conditions that fail to match the Level 2 criteria, which is based on a typical 3-DOF weakly nonlinear numerical model. Ship velocity and wave conditions are taken into consideration to explore sensible conditions concerning parametric roll. Finally, according to the results, corresponding safety assessments and several avoidance measures are proposed, such as reducing the height of the center of gravity and raising the speed moderately. In addition, if wave predictions can be detected in advance, the circumstance of the natural rolling period being twice as great as the encountering period should be avoided, which is the most sensible factor for inducing parametric roll. Comprehensive calculation and checking for the 10 000 TEU ship can instruct the general design and improve safety for very large container ships; as a result, remarkable engineering applications and reference value can be recognized. Key words:very large container ship;parametric roll;direct calculation;safety assessment 收稿日期:2016 - 11 - 28 网络出版时间:2017-5-12 13:01基金项目:财政部、教育部重大科研专项基金资助项目(GKZY010004);国家自然科学基金资助项目(51579144)作者简介:马骋远,男,1992年生,硕士生。研究方向:波浪中的船舶稳性与安全性设计。E-mail:sjtumcy@163.com马宁(通信作者),男,1961年生,博士,教授,博士生导师。研究方向:船舶与海洋结构物耐波性及安全性,海洋波浪数值模拟预报。E-mail:ningma@sjtu.edu.cn

0引言

IMO国际海事组织( )正在制定包括参数横摇、纯稳性丧失、骑浪/横甩、瘫船稳性和过度加速5 2代完整稳性规则[1]。度这 种稳性失效模式的第2作为第 代完整稳性衡准中的一个重要部分,参数横摇衡准的制定和实施将对船舶性能与设计产生重大影响[2]。对于在纵浪中航行的船舶,当横2摇固有周期接近 倍的遭遇周期,且入射波长范围与船长尺度接近时,水线面积会随波浪与船体的相对位置变化发生大幅波动,进而引起初稳性高GM的变化。此时,若船舶横摇阻尼较小,在很小的初始横向扰动下将会出现大幅横摇运动,即发生参数横摇现象[3-5]。这类情况多发生于渔船、客滚船和大型集装箱船[6]。根据参数横摇的研究成果并考虑工程应用的方便,IMO 3 1将衡准划分为了 个层次,即第 层衡2 3准、第 层衡准和直接计算衡准。这 个层次的衡准被设计为从简单的经验公式到采用单自由度非线性力学方法,直至采用较为复杂的三自由度及以上运动数值模拟手段预报参数横摇,依次提高复杂程度并预报精度[7]。在实船设计中,仅当设计方案无法通过低层次衡准时才需要进行更高层次的衡准计算。大型集装箱船对于参数横摇比较敏感,从对APL CHINA号(C11包括 集装箱船)在内的若干实船事故的调查报告可以发现[5],大幅横摇甚至是倾覆所带来的人员伤亡与财产损失将更为惨重。2 2傅超等[8]结合第 代完整稳性参数横摇前 层衡准和七〇二所开发的稳性评估软件平台,就舭龙C11骨面积与重心高度对 集装箱船的参数横摇敏感因素进行分析,并对船艏和船艉的型线进行改进,达到了改善参数横摇的目的。但对此类船型3开展 个层次的全面校核工作的并不多。因此,在远洋货轮航行安全性更受关注的当代,对万箱级集装箱船舶进行安全性评估的意义将显得格外突出,也可以更好地指导超大型集装箱船总体设计,为提高安全水平提供更具基础性的研究。IMO 2参数横摇第 代完整稳性规则预计将于2019 1 2年定稿,其中第 、第 层衡准规则已趋成熟,公式体系也已逐渐被众多研究机构所认可。Umeda 9 [ ]等将参数横摇简化为单自由度横摇运动模型,其中非线性回复力采用与波陡相关的非线性函数进行表达。梁海滨等[ 2 ]基于参数横摇衡准,采用多元线性回归方法计算了静水中的回复力系数,并运用二分法求解横摇幅值,根据对某渔 政船的计算结果,为其航行安全性提供了操作指3导。但是对于第 层衡准,不同计算方法与模型的提案较多,且依旧处于样船计算阶段,还未形成较为系统与完整的衡准框架。因此在定稿前,丰3富第 层衡准的样船信息与校核资料就变得十分具有研究价值。Bulian[10针对此, ]考虑通过静水力计算得到的垂荡和纵摇运动对参数横摇的影响,提出一种1.5自由度模型,得到了一种较为准确的参数横摇Spanos Papanikolaou[11时域模拟方法。 和 ]采用基于脉冲响应函数法的六自由度模型对渔船和滚装船进行了数值模拟,结果显示横摇与纵摇耦合,非线性回复力对参数横摇计算结果影响较大。Sadat-Hosseini CFD等[12]采用 方法研究了一艘水面舰艇的参数横摇问题,发现在迎浪下模拟结果CFD与实验结果吻合较好,但采用 计算耗时巨大。10 000 TEU本文拟根据在迎浪中航行的某 集装箱船的装载及稳性计算书,对各个装载工况逐1一进行计算。先对第 层衡准进行判定,若不符2 1st check合要求,则需要进行第 层衡准的 与2nd check判定。鉴于参数横摇的强非线性,其受横摇阻尼、非线性回复力计算等因素的影响较大,又考虑到工程实际问题计算的相对简便与实用性,提出并自主研发了基于典型的弱非线性三自2层由度(横摇、垂荡和纵摇)模型,以对不满足第衡准要求的载况进行迎浪规则波中的参数横摇时10 000 TEU域模拟。最后,将对 集装箱船在不同航速、波高和波频时发生参数横摇的情况进行数值模拟,并分析敏感工况的特征,进行航行安全性评估,提出规避措施。

1 IMO参数横摇第1层薄弱性衡准

1层衡准基于经验公式[7]。若一艘船满足第以下条件,则可判定该船对于参数横摇不敏感: DGM (1)  R PR GM式中: D GM 为当波浪通过船体时船舶稳性高的变化幅度; GM 为船舶在静水条件下计算所得载况的初稳性高; R 为标准值,具体计算公式PR

式中:C 为舯横剖面系数;A 为不计入附体的m BK舭龙骨侧投影面积之和,m2。10 000 TEU 1集装箱船的主尺度如表 所示。 1 2校核计算结果如图 和图 所示。经对比可知,对于吃水较小(d<10 m)的空船以及各种情形下的压载工况,其重心高度远低于载况,GM 值较>12 m),DGM大( GM GM 计算值较小,更容易通过衡准。 对于吃水d较大的载况, GM 的值主要取决于重心G 的高度,即甲板上集装箱装载的层高。研究表明,集装箱布置层高越低,整船重心越低, 1 GM 越大, DGM GM 计算值越小,参数横摇第层衡准校核通过率越高。在不改变集装箱布置形式的前提下,亦可通过将重型集装箱尽可能往货舱堆积,轻型集装箱往甲板堆放的方式来降低全船重心。10 000 TEU 89经计算校核,在 集装箱船的 个14 1载况中,有 个载况通过了参数横摇第 层薄弱 75 2层性衡准,剩余的 个载况未通过,需要进行第衡准。

2 IMO参数横摇第2层薄弱性衡准

[7]根据参数横摇草案 ,用于实船敏感性预报的IACS)推入射波条件采用国际船级社协会( 荐的Grim[13]的等效不规则波散布图,所有海况将采用2波理论换算为等效规则波。第 层薄弱性衡准相1对于第 层衡准更加严密。若一艘船舶满足以下任意一个条件,可以认为其不会发生参数横摇: 1)1st check计算所得的C1值小于 R ; PR0 2)1st check 计算所得的 C1 值大于 R ,且PR0 2nd check所得的C 值小于 R 。2 PR1

2.1 1st check算法

1st check 1算法通过对第 层衡准的入射波条件进行拓展,通过对若干等效规则入射波进行加权计算,确定船舶对于参数横摇的敏感性指数。(3) C <R ,R = 0.06 1 PR0 PR0 1st check式中: C1 为敏感性指数; R 为 标准PR0 3值。当满足式( )的条件时,认为船舶能够满足1st check的要求,具体计算过程参见文献[9]。

2.2 2nd check算法

2nd check采用了基于非线性力学方法的单自由度(1-DOF)横摇运动方程,用于参数横摇幅值的预报,并在此基础上进行敏感性分析。运动方程为

式中: φ为船舶横摇角; GM 为波浪中稳性高mean变化的平均值;GM 为波浪中稳性高变化量的amp

幅值; ωφ 为横摇固有圆频率; ω 为遭遇频率; e l 为采用最小二乘法拟合静水中的GZ 曲线得2k + 1到的拟合系数,其中 k 为拟合阶数;α γ 分别为线性和三次横摇阻尼系数,对于缺乏横摇衰减试验Ikeda方法[14]计算。结果的情况,可采用简化的对于不同的傅汝德数Fr,在顶浪状态下,计算25°的概率,取概率的平均值即船舶横摇角度超过得到敏感性指数C 。若2 (6) C 2<R ,R = 0.06 PR1 PR1

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