风浪与自由液面耦合作用下的渔船稳性研究
2018-07-26许家帅张光发
许家帅 张光发
摘 要：为了更准确地研究渔船稳性，消除恶劣条件下作业安全隐患，使渔民作业更安全，该文根据某渔船基本参数，及突风、波浪和自由液面的不同数值，在突风、波浪和自由液面耦合作用下研究渔船的稳性，从而判断渔船在某海况下可否安全出海作业。
关键词：突风 波浪 自由液面 耦合 稳性研究
中图分类号：U662 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2018）02（a）-0039-02
我国渔船数量多，渔民为了更大的利益在恶劣天气下出海作业，由于海况复杂，渔船稳性较差，且没有准确的方法来判断渔船在某恶劣天气下出海作业是否安全，渔民只根据经验来判断是否具备出海条件，可能导致悲剧发生。
目前专家学者对渔船稳性有所研究。刁有明等[1]通过分析甲板负荷、波浪、海冰、船员素质及渔船自身稳性，得出结论，应控制渔船初稳性，加强船员培训；冯铁城、周秀康等[2]通过渔船校核计算及时域分析，对比各规范差异，得出渔船IMO气象衡准系数不同于大型船舶的结论；张舒[3]基于NAPA软件对渔船稳性衡准进行校核，对新型渔船研发提供了依据。
本文基于同一直线力矩耦合同向相加、异向相减的原则，选取某渔船为素材，分别进行突风、波浪作用下渔船稳性计算和波浪作用下自由液面修正计算，将三者叠加耦合，得出耦合值，对比单一变量和多变量耦合作用下的复原力矩。
1 风浪与自由液面耦合作用下的渔船稳性基本计算
1.1 突风作用下的渔船稳性计算
突风具有突然性，对渔船稳性影响大。选取垂直于渔船中线面的突风为模型，取突风倾侧力臂等于1.5倍定常风倾侧力臂，空气密度取0.0128kg/m2[4]，根据伯努利方程可知风速与压强的关系，推出突风倾侧力臂与风速的关系，根据复原力臂与倾角的稳性曲线图知，当时，可求出对应的倾角，得出复原力矩与突风风速的关系：
（1）
其中，A为船舶装载水线以上受风面积，m2；Z为自A的中心至水下侧面积中心或近似的到平均吃水处的垂直距离，m；v为突风风速，。
1.2 波浪作用下的渔船稳性计算
波浪是复杂海况的重要因素之一。从船舶设计实用手册（总体分册）[5]中选取公式算法计算。用辛普生公式对渔船分段计算；取简谱波作为波浪模型，波长近似于船长，得到节点处波面垂向坐标表达式；计算出排水体积，求出排水量，求出浮心垂向坐标及横稳心垂向坐标，最后求出渔船倾角与复原力矩的关系。
1.3 自由液面作用下的渔船稳性计算
渔船驶至某水域时，燃油舱会变为非满载状态；在捕捞过程中，液货舱也会出现非满载状况，因此有必要考虑自由液面对渔船稳性的影响。由于渔船以营利为主，安装精确测量仪器计算液货舱消耗情况不具有可行性，因此，研究渔船在自由液面作用下的稳性即研究大倾角自由液面修正值。
1.4 突风、波浪和自由液面耦合作用下的渔船稳性计算
通过相关力矩耦合资料可知，力矩方向在一条直线上可对其直接加减。分别计算出突风、波浪大倾角自由液面修正的复原力矩，相加减即可得到突风、波浪和自由液面耦合作用下的船舶的复原力矩。
2 实例计算与分析
2.1 素材选取
本文选取某渔船为素材，选取液货舱非满载工况，主要尺度如下：
总长35.50m；
垂线间长31.10m；
型宽6.00mm；
型深2.90m；
设计吃水2.30m。
计算工况信息如下：
液货舱自由液面惯性矩，合计12.8t·m。
整船重心高度为2.144m计算出邦戎曲线横剖面面积表、邦戎曲线横剖面形心高度表及半宽型值表。
2.2 当波谷在船中时
2.2.1 波浪作用下的漁船稳性计算
中吃水：m；
重心离基线高度：m。
取正弦波振幅为m，波长为船长。根据中吃水得到每站实际吃水，查询邦戎曲线，使用辛普生公式积分计算。
求和得m2。
（2）
计算得m3。
（3）
取1.005，计算得排水量t。
计算浮心垂向坐标，使用辛普森公式进行积分求面积和面积矩，分别求和得：m2，m3。
（4）
计算得浮心垂向坐标m。
使用辛普森公式计算水线面惯性矩，计算得V=220.94m3。
（5）
计算得KM=3.14；再由GM=KM-KG，计算得GM=0.99m。
2.2.2 大倾角自由液面修正
具体情况见表1。
2.2.3 突风作用下的渔船稳性计算
查找工况信息知：；
渔船允许作业风速不超过八级，突风风速计算到10级，分别取5至10级，对应的风速，可以得出，再通过 m，t求解，得出突风风速、倾角和复原力矩的关系，如表2所示。
2.2.4 突风、波浪和自由液面耦合作用下的渔船稳性计算
具体情况见表3。
2.3 当波峰在船中时
用相同方法计算，对比结果，与波谷在船中时结论一致。
3 结语
突风、波浪、自由液面三者耦合作用船舶复原力矩更准确，渔民出海打渔应综合考虑上述三个条件耦合的结果，判断能否安全出海打渔作业。
参考文献
[1] 刁有明，贾敬蓓，张文孝，等.木质渔船稳性研究[J].宁波大学学报：理工版，2011，24（4）：116-119.
[2] 冯铁城，陶尧森，周秀庚.渔船稳定性研究[J].中国造船，1994（4）：13-20.
[3] 张舒.渔船稳性衡准分析与算法研究[J].船舶工程，2017（6）：12-14.
[4] 渔业船舶法定检验规则[Z].
[5] 船舶设计实用手册（总体分册）[Z].
