客船概率论破舱稳性计算简化研究

2021-07-25陈后宝必维船级社中国有限公司

珠江水运 2021年12期

陈后宝必维船级社（中国）有限公司

汤斌招商重工（江苏）有限公司

船舶稳性是船舶重要性能，是船舶营运的前提条件。概率论破舱计算是稳性计算中最复杂的部分，尤其是在客船稳性计算中。相较于货船，客船分舱更为复杂，需要考虑A级舱壁破损和横贯进水的影响。客船的分舱多，尤其是A级舱壁多的情况下破损工况多，概率论破舱计算需要数天甚至数周的时间。这给船舶设计，审图工作和船厂交船都带来了困难。在紧张的交船计划下，如果不能在有限时间内完成交船文件，船厂往往面临因交船延期而产生的每天几万美金的罚款。本文对客船概率论破舱稳性计算中复杂的主要因素进行了分析，并给出了可行的简化方案。

1.客船概率论破舱稳性计算综述与进展

概率论破舱稳性计算是船舶破舱稳性计算的一种重要方式。区别于就船舶确定性破舱稳性计算方式，概率论破舱稳性计算不关心某个或某些破损工况是否生存，而是对所有可能破损的情况整体生存概率有要求。满足船舶的破舱稳性需要实际达到的总的分舱指数A大于要求的分舱指数R，同时对每个吃水下的分舱指数也有相应的要求。对客船而言，每个吃水下的分舱指数A要求不小于0.9 R。货船每个吃水下的分舱指数A只需要不小于0.5 R即可。可以看出对客船的要求比货船的要求高很多。

概率论破舱稳性是根据1974 年国际海上人命安全公约的要求进行计算的。随着时间的推移和海损事故的经验积累，破舱稳性计算也在不断的更新。最近两次大的更新生效日期是在2020 年1月1日和2009年1月1日。2020年1月1日生效的更新主要是针对客船的要求的分舱指数R 提高了要求。与SOLAS2009相比，SOLAS2020要求的分舱指数R 只是船上总人数的函数，与船长没有关系。参见图1 客船要求的分舱指数R 比较SOLAS2009以及SOLAS2020，在SOLAS2009 R计算中，船长假定为200米。2009年1月1日生效的更新将吃水由两个（最深分舱载重线，部分分舱载重线）增加到三个（最深分舱载重线，部分分舱载重线和轻载载重线）。

图1 客船要求的分舱指数R比较SOLAS2009 以及 SOLAS2020

客船概率论破舱稳性计算繁杂，需要考虑的内容众多。归结起来，包括基本舱室的定义，模型的建立；各种开口的定义和关联；应急逃生通道定义；A级舱壁舱壁的定义和横贯进水关联等。

本文基于稳性计算软件NAPA详细的计算了某型极地探险邮轮(主尺度参见表1，侧视照片参见图2，主甲板及以下分区划分（27个分区）参见图3)概率论破舱稳性。对A级舱壁和横贯进水简化前后的破损工况数量和计算时间进行了比较，并对A级舱壁和横贯进水同时存在复杂情况时进行了探讨。

表1 极地探险邮轮的主要参数

图2 极地探险邮轮侧视照片

2.客船概率论破舱稳性计算流程

（1）模型建立 DAMHULL。

（2）舱室划分，其中U型舱需要考虑分开定义。

（3）开口定义分内部和外部开口。

（4）应急逃生通道定义。

（5）舱室关联定义，包括三种，直接关联，A级舱壁关联，横贯进水关联。

（6）初始工况定义。

（7）破舱分区，舱壁定义，纵舱壁和平台，破损舱室生成。

（8）计算，参数选择，选取非连续进水NOPROGR。

3.客船概率论破舱稳性中复杂因素分析

3.1 分区多导致生成的破舱组合多

分区是指根据船舶舱室的布置情况沿船长方向划分为多个区（对应于主要的横向水密舱壁），是概率论破舱稳性计算中计算破损概率的基础。结合纵向水密舱壁以及水密甲板，可以将分区范围约束在一个空间内。破损将依据某个空间或者某几个空间破损计算。

分区的多少是概率论破舱计算的复杂程度的决定因素。随着分区数量的增加，破损组合和计算量将级数式增加。因为随着分区的细化，必须增加多区计算才能提高达到的分舱指数A。

3.2 A 级舱壁多导致生成的破舱组合多

A 级舱壁指的是A 级防火舱壁。这种舱壁通常需要为钢制舱壁或者等效材质制作的舱壁，但无水密要求。然而A 级舱壁舱壁对水有一定时间的阻挡能力，所以在破舱计算中需要考虑该舱壁破损前和破损后的两种情况。这正是生成的破舱组合多重要原因。如果有10个A级舱壁不间断的关联在一起，那么将会有210即1024个破损工况。而且只要这些舱室中的任一舱室破损都会使得这1024个破损工况遍历计算一次，总的计算工况数量将是个天文数学，可达十万，甚至百万量级。这会使得计算时间很长，可达数日甚至数周时间，造成资源浪费。

3.3 横贯进水考虑

横贯进水是指通过管道，或结构通道将左右两侧的舱室连接在一起，当单侧舱室发生破损进水后可以通过管道或结构通道连续进水到另外一侧。有时通过在纵舱壁上开孔安装进水舱盖也可以达到横贯进水的效果。参见图3，客船三种典型的横贯进水布置。横贯进水的作用是减小不平衡进水带来的横倾影响，减小破舱平衡状态的横倾角，从而满足SOLAS公约对最终平衡状态的横倾角要求。当然，只有及时快速的进行横贯进水才能达到及时平衡的效果。SOLAS公约对平衡进水有时间上限制和要求。

图3 极地探险邮轮主甲板及以下分区划分（27个分区）

1分钟内的平衡（横贯进水完成）认为是瞬时进水，没有附加的稳性要求。超过1分钟的横贯进水需要计算1分钟时的船舶状态，并能满足中间状态的稳性指标。横贯进水完成后的最终状态需要满足最终状态的稳性指标。超过10分钟的横贯进水除了计算1分钟和最终状态之外，还需要计算10分钟时的状态并能满足最终状态的稳性指标。横贯进水只要在单侧舱室发生进水后就需要判断水线会不会超出横贯装置，进而进行计算。横贯进水计算是根据海安会MSC.362(92)决议要求，本身计算量比较大。如果横贯装置多，其计算量会很大。所以简化横贯进水装置是必要的。

3.4 A级舱壁和横贯进水同时存在的情况

当A 级舱壁和横贯进水一起时如何处理。当研究的破损区域中A级舱壁和横贯进水同时存在时，该如何考虑破损组合。参见图4，A 级舱壁和横贯进水同时存在的典型情况。图中绿实线为水密舱壁，红实线为A级舱壁。A级舱壁上安装了进水舱盖FF。进水舱盖FF既可以保证舱壁的A级防火分隔，又可以在小的水压作用下自行开启，达到横贯进水的目的。

图4 客船三种典型的横贯进水布置

究竟是先横贯进水还是先A 级舱壁破损目前是争议的话题，尚无定论，这取决于横贯进水的时间和A级舱壁抵抗水压的能力。可以确定的是，如果横贯进水是瞬时进水，那么可以将左右两个舱室合在一起作为一个舱室。在NAPA中根据A级舱壁的考虑方式采取了不同的破损组合的生成方式。当A级舱壁破损作为独立的破损工况时，将优先考虑A级舱壁破损，再考虑横贯进水。当A级舱壁破损作为中间过程的的破损组合时，将优先考虑横贯进水，再考虑A级舱壁破损。实际校核中，为确保安全，两种情况都需要考虑。

4.客船概率论破舱稳性计算简化方法

4.1 减少分区数量

根据以上理论以及例子，减少分区的数量可以有效的降低计算数量，从而能提高计算效率。此方法可以用在前期进行船舶初始设计稳性指标评估阶段。采用此方式能缩短评估周期。

4.2 减少A级舱壁数量

A级舱壁多导致生成的破舱组合多，在不影响计算结果的前提下，可以通过减少A级舱壁数量进行简化。简化A级舱壁通常有以下方式：

——横向A级舱壁可以通过分区来实现

——小范围和密集A级舱壁可以合并考虑

——中心区域A级舱壁可以合起来作为一个舱室，主要针对A级舱壁甲板。

——打破A级舱壁关联链条，使破损工况生成终止。

4.3 横贯进水简化

图5 A级舱壁和横贯进水同时存在的典型情况

如果能确保在所有的破损工况下某个横贯进水都是瞬时进水，即1分钟内的平衡，那么这个横贯进水可以不予考虑，直接将左右两个舱室合起来建成一个舱室，可以省计算横贯进水的时间。当然要对所有破损工况校核是不现实的，只需要选取最不利横贯进水的工况进行校核即可，如果在最不利情况下能验证是瞬时进水，那么其他情况进水时间更短，必然是瞬时进水。选取最小吃水，即轻载载重线dl作为初始工况，选取包含该横贯进水一侧的舱室为破损工况，有时可以选取几个组合进行验证。

5.客船概率论破舱稳性计算简化结果

5.1 分区简化前后破损工况数量和计算时间对比分析

基于极地探险邮轮分舱布置，笔者进行了细化分区27个区和简化分区14 个区的计算。保持A 级舱壁和横贯进水定义不变，只简化分区。计算用I ntel 酷睿i7-7700 CPU，可以7核并行计算。参见表2分区简化前后破损工况计算时间和结果（A 级舱壁破损作为中间过程破损，不作为独立破损工况）和表3分区简化前后破损工况计算时间和结果（A 级舱壁破损作为独立破损工况）

表2 分区简化前后破损工况计算时间和结果

表3 分区简化前后破损工况计算时间和结果

考虑到本船的要求的分舱指数R为0.68904，简化为14个区的方案不能采用。然而，由表2和表3分区简化前后的对比可以得到如下结论：简化分区可以大大减少生成的破损工况数量和计算时间。

5.2 A级舱壁和横贯进水数量对破损工况数量和计算时间对比分析

为了研究A级舱壁和横贯进水数量对破损工况数量和计算时间的影响，在保持相同分区，不同数量的A级舱壁和横贯进水情况下，得到破损工况计算时间和结果。计算用Intel酷睿i7-7700CPU，可以7核并行计算。参见表4A级舱壁和横贯进水简化前后破损工况数量和计算时间（14个区，A 级舱壁破损作为中间过程破损，不作为独立破损工况）和表5 A级舱壁和横贯进水简化前后破损工况数量和计算时间（27个区，A 级舱壁破损作为中间过程破损，不作为独立破损工况）。

需要澄清一点，以上的A级舱壁和横贯进水数量数量并不是实际意义上的简化，只是单纯数量的减少。其目的为了得到A级舱壁和横贯进水数量对破损工况数量和计算时间的影响。所以计算结果A并没有实际意义。实际的简化必须遵循4中所述的简化方法，保证不影响计算结果的前提下简化。然而，由表4和表5A级舱壁和横贯进水简化前后的对比可以得到如下结论：简化A级舱壁和横贯进水可以大大减少生成的破损工况数量和计算时间。

表4 A级舱壁和横贯进水简化前后破损工况数量和计算时间

表5 A级舱壁和横贯进水简化前后破损工况数量和计算时间

5.3 极地探险邮轮最终简化结果和计算时间

极地探险邮轮的初始A 级舱壁为24对，包括12对纵向舱壁，10对横向舱壁和2 对A 级舱壁甲板。横贯进水为23对，包括7对管道，8对U型舱室，4对结构通道和4对进水舱盖。按照4前文中所述的简化原则，中心区域的1对A级舱壁甲板上下舱室合并；小范围密集A 级舱壁合并；最终A级舱壁简化为19对。8对U型舱室其中5 对验证为瞬时进水。横贯进水可以简化为18对。最终实际计算中横贯进水用的是简化之前的23对。参见表6 极地探险邮轮最终计算破损工况数量和计算时间。

表6 极地探险邮轮最终计算破损工况数量和计算时间

在概率论破舱稳性计算的基础上，还需要计算VLINE，即由所有有生存概率贡献的工况汇总而成的极限平衡水线位置及极限横摇水线位置。其作用是确认结构强度设计压头，还可以给无保护开口，风雨密开口的位置范围提供依据。其计算时间长短取决于概率论破舱稳性计算的复杂程度。目前VLINE在NAPA中还不能并行计算，只能单核运行。如果概率论破舱稳性计算复杂，那么计算时间会很长。极地探险邮轮最终VLINE计算大致15天左右。这进一步说明概率论破舱稳性计算简化的必要性。