水面舰艇在高海况航行时的安全性分析

蒋　颉，傅江妍，韩正君

(中国舰船研究设计中心，上海 201108)

水面舰艇在高海况航行时的安全性分析

蒋颉，傅江妍，韩正君

(中国舰船研究设计中心，上海 201108)

摘要：随着海军使命任务拓展，执行远洋任务越来越频繁，海域越来越广，时间越来越长，遭遇各种高海况的几率越来越高，高海况对执行任务造成一定影响。本文对影响水面舰艇高海况航行安全性的几个方面进行系统总结分析，通过与国外军规或民船规范的比较，了解我国水面舰艇高海况航行时安全性设计所处的水平，提高船员使用信心，为指挥者和舰员提供参考。同时为保障舰艇在高海况下具有良好性能，从设计者的角度出发，提出高海况下装载及使用原则。

关键词：水面舰艇；高海况；安全性

0引言

随着海军使命任务拓展，执行远洋任务越来越频繁，海域越来越宽广，时间越来越长，遭遇各种高海况(5级以上)的几率越来越高，恶劣的海况及船体在海浪中的运动幅度可能对舰员造成严重心理影响，从而影响正常执行任务。

国内外关于水面舰艇安全性的研究多集中于某一方面[1-4]，如耐波性、不沉性、保障和结构强度等，还没有对水面舰艇在高海况航行的安全性问题进行系统总结分析，而且国内外的研究成果专业性较强，与实船存在差异，不易被使用者理解。针对这种情况，本文从水面舰艇设计者的角度出发，综合使用者需求和理论研究成果，总结了影响水面舰艇高海况航行安全性的几个主要方面，如浮态和重量重心、稳性、耐波性和船体结构等。通过与国外军规或民船规范的比较，了解到我国水面舰艇安全性设计所处的水平，提高船员使用信心，为指挥者和舰员提供参考。

1舰艇总体性能设计

1.1　浮态及重量分布

良好的浮态是保证其他性能的基础，如稳性、不沉性和耐波性等，浮态不好将导致其他性能进一步恶化。为确保舰船能在高海况中安全航行，舰艇必须具备良好浮态。水面舰艇设计一般从2个方面进行设计：一是在设计过程中通过总布置的优化调整，控制重量重心位置，使舰艇具有良好的浮态；二是建造过程及服役后临时搭载人员或货物引起浮态变化，可以通过调整液体装载来调整浮态。使得舰艇浮态控制在横倾小于0.5°、无首倾、尾倾小于0.4%设计水线长的范围内，以满足《舰船通用规范》的要求[5]。

舰艇重量分布不均匀可能导致舰艇固有频率与主机、螺旋桨工作时的巡航工况、最高工况频率共振而产生的总振动(水平振动、垂直振动)问题，甚至影响到舰艇总纵强度，破坏强力甲板。水面舰艇设计过程中，需统计20站的重量分布情况，使舰艇重量分布沿船长方向呈正态分布，如图1所示。

图1　典型水面舰艇20站的重量分布Fig.1　Distribution of weight along 20 stations of a typical　naval ship

1.2　稳性

船舶稳性是指在外力作用下，发生倾斜而不致倾覆的能力，当外力的作用消失后，它仍能回复到原来平衡位置的能力。

针对大风浪环境，稳性主要从2个方面采取措施：一是严格控制重量、重心，使舰艇具有合理的初稳性高及较大的抗风能力；二是控制上层建筑大小，减少受风面积。

针对静稳性，美国海军标准US Navy standard (US Navy′s DDS 079-1) 中要求标准排水量初稳性高为不小于0.65 m。我国《舰船通用规范》规定正常排水量大于2 500 t的船舶标准排水量初稳性高为不小于0.75 m，稳性消失角不小于80°。CCS民船规范只要求大于0.15 m，稳性消失角不小于55°[6]。

图2　典型水面舰艇的静动稳性曲线Fig.2　Curves of static and dynamic stability of a typical　naval ship

针对动稳性，主要考虑阵风作用，外力矩一般随横倾角φ变化，而且多半是随着φ的增加而减少。德国劳氏水面舰艇规范(2004版)校核如图3所示[7]。

图3　校核力臂曲线Fig.3　Collating curves of lever of form stability

图3中：h为静稳性力臂；k为风倾力臂；φ为横倾角；φref=2·φstat+5[°]。

要求：φstat≤15°时，φref=35°处hrem≥0.1m；φstat>15°时，φref处hrem≥0.01·(φstat-5°)[m]。

美国相关规范假定风倾力矩随cos2φ变化，我国和日本规范则取为不随φ而变的定值，这样可使计算、作图简便，且是偏安全的一种设计方法。

欧美海军是传统海军强国，而美国海军更是唯一的全球海军，其海军水面舰艇还没有因高海况航行使船体本身出现问题，导致事故的报道。我国海军通过多年使用，积累了大量数据，验证现有规范体系能够确保使用安全。

1.3　耐波性

船舶耐波性是指船舶在波浪扰动下，产生的6个自由度运动及各种出水、抨击、甲板上浪、失速等耐波性事件，仍能维持一定航速航行的性能。

船舶在波浪中的运动，首先要了解波浪的分级。

我国规范中对海况的分级，海况和波高、平均风速对应值如表1所示[8]。

表1　海况的分级

表1中，波高为北半球大洋海浪的年平均统计结果，三一平均波幅是把测得的波幅(如2000个波高)按大小依次排列，取最大1/3的平均值。风速高程海平面上10 m，时距为10 min的平均值，阵风一般约为平均风速1.5～1.6倍。

日本气象厅采用的波高与我国完全一样。

美国水文局浪浪级如表2所示。

表2　美国风浪的分级

在船型设计过程中耐波性经过多轮的理论计算和模型试验的验证，主要包括船体基本运动参数，在短峰海浪中的垂荡、横摇、纵摇、横荡、纵荡和首摇的运动位移有义单幅值；全舰重要部位处运动参数，包括短峰海浪中3个方向的位移、速度和加速度；与相对运动有关的耐波性事件，包括首部0站甲板上浪、声呐罩出水、舰船底部砰击、螺旋桨飞车(1/3直径出水)等。

理论预报采用STF切片理论三维仿真计算，先求出舰船在规则波中以一定的速度按不同浪向航行时5个自由度运动(横摇、纵摇、垂荡、横荡和首摇)响应，纵荡运动单独处理；求出剖面的流体动力系数(附加质量和阻尼系数)、扰动力和力矩；应用线性叠加(其中横摇运动采用非线性叠代)原理和雷利分布，求取在不规则波中的运动响应统计值。

世界各国使用的船舶耐波性预估方法的理论基础是相同的，如果预估中使用的海况一样，可能会因为计算者的经验及修正方法不同，耐波性预估的结果略有偏差。

我国水面舰艇通常还将进行实船高海况适航性专项试验，进一步验证了水面舰艇在高海况中航行的安全性。

1.4　不沉性

当船体破损、上浪或从水密门、盖和阀进入海水时，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。

按《舰船通用规范》中有关规定：正常排水量2 500 t以上的水面舰艇，任意相邻三舱(其长度不小于设计水线长度的20%，否则应在该隔舱组的一端加一个较小的相邻隔舱，并使其总长度不小于设计水线长度的20%)破损浸水后舰仍能保持漂浮，距1甲板的最小干舷高度均大于0.60 m，尾部舱组破损浸水后的最小干舷高应不小于0.1 m。

一般的辅助舰船和民用船舶比舰艇要求略微宽松。如只要求正常排水量小于6 000 t的补给船满足一舱破损不沉，正常排水量大于等于3 000 t的打捞救生船、电子侦察船、测量船、训练船满足任意相邻两舱破损不沉(对称或不对称)；干舷、初稳性高、静横倾角等衡准要求也做了适度的降低。民用船舶为了经济性更好，采用概率法计算破舱稳性，根据相关规范研究[9]表明确定法计算破损稳性比概率法计算的结果更安全，而《舰船通用规范》中要求比民规中确定法计算破损稳性更严格。

2舰艇结构设计

2.1　结构高海况下强度设计

船体结构是水面舰艇抗御敌方攻击和破坏的防护体，也是舰员工作、生活和训练的海上移动平台。为了保证海军舰船的高生命力和战斗力，船体结构从在设计之初就从材料选择、结构形式设计、连接节点、焊接材料的选型等多方面开展大量的研究和试验，以保证舰船整体结构在服役周期内具有足够的安全性和足够的强度裕度。

按《舰船通用规范》有关总纵强度及局部强度设计规范设计。当舰艇航行区域受限制时，要求按规范求得的谐振波高不超过其限制航区的最大波高；当超过时，则取限制航区的最大波高作为谐振波高设计波浪载荷进行总纵强度校核和极限强度校核。舰船结构的极限强度无论在中拱和中垂，都必须满足下列要求：

(1)

(2)

图4　舰艇中垂和中拱示意图Fig.4　Sketch map of hogging and sagging of a naval ship

并要求舰体最大挠度Vmax

水面舰艇的船体结构形式一般设计为军舰特有的纵、横骨架交错形式，即在各层甲板、外板上均布置了大量的纵骨、横梁、纵桁等强力结构，这样的结构强度和刚度都更好，即使船体甲板或外板在特殊情况下有局部的破损，舰船密集的骨架系统也能保证舰船不会断裂。而民船从经济性、重量控制等因素考虑一般多采用横骨架式。

2.2　高海况下的结构疲劳问题

水面舰艇长期在海上航行和作业，船体结构一直受到波浪力及运动产生的各种惯性力的作用。而波浪力和惯性力是不断变化的动载荷，在结构内部产生交变应力，这种交变应力周期性的累积效应将造成结构的疲劳损伤。大量的实船航行实践表明，船舶典型节点部位的疲劳强度不足是船舶结构破损的一个重要原因。

水面舰艇的疲劳载荷主要包括：波浪附加弯矩、砰击振动弯矩和波浪砰击压力。

关于船体结构长期在高海况下的疲劳问题，可以通过研究材料和典型节点的S-N曲线，了解结构疲劳问题。

1)疲劳问题与材料的S-N曲线有关密切的关系，S-N曲线代表船体能承受的疲劳弯曲次数。

图5　材料疲劳S-N曲线Fig.5　Fatigue S-N curve of certain material

图中：σ-1为对称循环下的疲劳极限；σ为循环应力；Nf为循环次数。

疲劳载荷所对应的超越概率水平取10-8，相应的船舶设计寿命为20年左右，船舶设计寿命内的应力范围循环总次数为107。

2) 根据结构材料强度对疲劳的影响规律，疲劳与材料的极限强度成直线关系，即材料极限强度增加，疲劳极限也能相应提高。水面舰艇选用的结构材料的极限强度大于实际规范计算最大值σ， 应力幅值还处于材料的疲劳安全区。同时，使船体结构产生疲劳问题的激励源――波浪动载荷，所产生的应力幅值绝大多数情况下均小于规范计算最大值σ， 所以结构能承受的疲劳Nf循环次数一般大于1 000万次，理论上可认为船体结构在设计寿命期内不会产生疲劳问题。

3高海况装载及使用建议

3.1　装载量和布置要求

出航前，仔细检查舰艇装载量，掌握舰艇浮态。

装载主要是指水面舰艇的燃油、滑油、淡水、弹药、食品、备品备件以及个人行李等。

应严格控制舰船出航状态的总装载量，且应注意装载的物资应贮藏在尽可能低的区域，特别是针对设计状态以外的物资不应贮藏在主甲板及以上区域，且所有物资前后、左右均衡布置，保证舰船具有良好的浮态。

远航过程中应坚持对可移动的装载进行全面的巡检制度，对机械设备和装载进行必要检查、加固。

3.2　使用消耗与调整

1)油水舱

为减少舰上液体舱自由液面对稳性的影响，液体舱的使用应该是1个中舱或者1对边舱全部用完后，再使用其他舱。结合浮态的调整，应先使用自由液面影响大的液体舱。

全舰油舱使用的次序原则上先使用机舱段双层底内的日用燃油舱，再将首尾部的燃油及时补充至双层底日用燃油舱。

在油水舱使用过程中应关注舰的浮态，必要时可调拨油水满足浮态要求。

2)干货

物资的消耗应先使用布置在主甲板以上的，以控制使用过程中全舰船的重心位置。

3.3　补给

为确保舰船具有良好的稳性，应在油水、供应品、弹药消耗1/3后及时进行补给，美国海军设计手册认为以上物资消耗1/3时是最佳作战状态。

4结语

本文分别从浮态和重量重心、稳性、耐波性、不沉性、船体强度和结构疲劳性几个方面影响水面舰艇高海况航行安全性的方面进行系统的分析总结，通过与国外军规或民船规范的比较，了解到我国水面舰艇安全性设计所处的水平，提高船员使用信心，为指挥者和舰员提供参考。同时为保障舰艇在高海况下具有良好的能力，从水面舰艇设计者的角度出发，提出了高海况下装载及使用建议。

通过与使用者交流，发现使用者较为关注水面舰艇在风浪流中实际的运动情况，而水面舰艇提供给部队的完工文件主要是静水力数据，基本没有考虑风浪作用的水面舰艇运动。这方面的研究将是下一步研究的重点。

参考文献：

[1]江兴平.关于船舶抗大风浪的探讨[J].上海海运学院学报，2000，20(1)：23-29.

JIANG Xing-ping.Discuss on ship in severe sea conditions[J].Journal of Shanghai Maritime College，2000，20(1)：23-29.

[2]王石岩.海浪与船舶安全[J].航海技术，2006(5)：21-25.

WANG Shi-yan.Security of surf and ship[J].Technique of Navigation，2006(5)：21-25.

[3]李生长.油船大风浪航行中的耐波性评价研究[D].大连：大连海事大学出版社,2011.

LI Sheng-chang.Navigation safety assessment of oil tankers in storm wave[D].Dalian：Dalian Maritime University Company,2011.

[4]邢贞宥.舰艇大风浪中航行保障研究[J].中国水运，2011，11(11):4-5.

XING Zhen-you.Research on the guarantee of naval ship in severe sea conditions[J].China Water Transport，2011，11(11):4-5.

[5]GJB 4000-2000， 舰船通用规范[S].

GJB 4000-2000.Naval ship currency criterion[S].

[6]中国船级社.钢质海船入级规范[S].北京：人民交通出版社，2006.

CCS.Rules for classification of sea-going steel ships[S].Beijing：China Communications Press，2006.

[7]GL naval ship technology[S].Hamburg：Germanischer Lloyd AG，2004.

[8]李积德.船舶耐波性[M].哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社，2007.

LI Ji-de.Ship seakeeping[M].Harbin：Harbin Engineering University Press，2007.

[9]中国船级社.SOLAS2009分舱与破损稳性要求实施指南[S].北京：人民交通出版社，2009.

CCS.Guidance for SOLAS2009[S].Beijing：China Communications Press，2009.

Research on the security of naval ships in severe sea conditions

JIANG Jie，FU Jiang-yan，HAN Zheng-jun

(China Ship Development and Design Center,Shanghai 201108,China)

Abstract：Severe sea conditions make certain difference to naval operations, when ocean missions which take much longer time become more often. This article provides the ability of security design for naval ships in China to improve seamen′s confidence and be guidelines for commanders and seamen, through some aspects of influencing naval ships′ security in severe sea conditions are summarized and analyzed systemically comparing with a foreign naval ship standard and a civil ship standard. And then, principles for loading and operating of naval ships in severe sea conditions are proposed based on maintaining favorable capability.

Key words：naval ships;severe sea;security

作者简介：蒋颉(1982-)，男，工程师，研究方向为舰船总体设计。

收稿日期：2014-05-29； 修回日期： 2014-07-17

文章编号：1672-7649(2015)01-0006-05

doi：10.3404/j.issn.1672-7649.2015.01.002

中图分类号：U661.2

文献标识码：A