船舶随浪稳性与航行安全性分析

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1、哈尔滨T程大学硕十学位论文-Z--imlllIII；；第．I章绪论

2、l。1本文的目的和意义海上航行安全性是船舶毳珏究、设计、建造和使用人员共同关注的一个重要问题。基于航行安全性经验，人们驾船航海首选的航向通常是迎浪航行，但当目标航向与浪向不一致时，或者需要作机动航行及特殊航行作业时，也常常遭遇旁浪、尾斜浪及随浪上的航行工况，这样的航行工况具有危及船舶安全的风险。船舶在随浪(含尾斜浪)上航行时，当巧遇船舶及其航速、航蠢和风浪环境等因素的某种缀合时，船舶极易发生航向失控、急速横甩、大幅横倾甚至倾覆的极端险

3、情，危及船舶的航行安全性n1。1982年，一艘尾机型罂千吨级远洋货轮从湛江载运3000吨散装滑石去虽本翊崎，该船东出大隅海峡遭遇到尾斜浪，发生大幅左倾，横卧海面后不久沉没于海底蹿】。这样的海难事故在国内外的航海历史上层出不穷，年年均有不幸的记载。已有的研究表明，船舶在尾斜浪及随浪上发生航行失控和倾覆是一个极为复杂的力学现象，目前对此现象的解释有多种观点，如纯稳性损失、波浪转首力矩大于舵控力矩、舵效降低、参数激振等强3，僵至今尚未有有效可行的研究方法和彻底明晰的研究结论H1。基于这样的研究背景和工程实际

4、需求，本文试图开展船舶随浪稳性与航行安全性的研究，探讨并寻求合理霹行的船舶随浪稳性预报方法和航行安全性评估方法，无疑是具有理论和工程意义的。船舶随浪靛行时的稳性损失和靛向失控，与航行海域的风浪环境(浪高、特征周期)和船舶的航行工况(航向、航速)等客观因素有关，各类船舶均有可能遭遇如此险情。就我囡自勃海至南海的近海海域及其周边海域而言，全年统计下的平均特征波长为40---，120m，而且我国近海受明显的季风影响，海面常呈现西北一东南与东北一西南的斜浪，在这样的海域内南北向或东西向航行，从船长几十米到酉来

5、米的各类型船熊，帮从中小吨位的渔船到数于吨级的货船，在四、五级海况下即有可能遭遇随浪稳性损失与运动失稳而导致可能的倾覆危险。近年，大开嗣集装箱船、滚装船以及中小尺度的高速边防艇、海关船、缉私艇不断涌现，随浪上遭遇稳性损失或大幅横倾对于大开口集装箱船和滚装船的航行安全是极为不利的；离速边防艇等中小型船舶在随哈尔滨T稃人学硕十学位论文m浪上高速航行更易遭遇上述不测险情。而远海直至更为开阔的大洋洋面，恶劣天气下的风浪尺度则更加显著，大型船舶随浪航行时也有可能遭遇随浪险情。目前，技术上审定船舶航行安全的有关法

6、规主要集中体现于船舶稳性，而稳性规范的审核内容仍然以静水中的稳性为主。所以，对随浪稳性的研究，有着显而易见的研究和需求对象。船舶在随浪上的稳性与静水中的稳性有着本质区别，随浪上的船舶稳性除与船舶及其操控和风浪等外在客观因素有关外，还与船舶航行动力学有着内在的本质关系。已有的研究表明：船舶在低频随浪上航行时，波面影响导致船体水线面的变化，波面下的船体排水体积、水线面面积及其绕纵轴的转动惯性矩较静水中的明显减小，可能明显地降低了船舶的横稳性。船体固有的静力稳定平衡关系受到随浪扰动的干扰影响，船体恢复力表现

7、出动态的时变性，使船体趋于中性平衡甚至不稳定平衡，此时，当再次受到波浪力或船体恢复力的时变激励，船体将适时地发生横倾，并进一步受到衍生出的惯性力和非线性阻尼力“推波助澜”式的影响，则进一步加剧横倾(或横摇)，甚至导致倾覆。因此，静水中的稳性问题在理论上是一个简单的静力学问题，而随浪稳性则是一个复杂的动力学问题。至今，专业学术界对船舶随浪航行产生的种种不能被人为预测和控制的非常态现象，给予了不同的机理解释和解析分析。，在此背景下开展随浪问题研究，探讨船舶随浪失稳的力学机理，寻求合理有效的船舶随浪稳性预报

8、的解决方案，有着重要的理论及其学术意义。1．2国内外研究现状与发展综述人们对船舶随浪稳性损失以及航向失控、大幅横倾和倾覆的关注，首先是从众多海难事故中引起的。早在十九世纪中叶，人们在对许多船舶翻沉事故的记录进行分析后认识到，随浪或尾斜浪上航行的船舶在受到不大的风的作用下发生了倾覆，尤其对于尺度对于的小船更是如此。由此人们开始认识和研究随浪上船舶的稳性问题。上世纪的30年代，Kernpf等人通过调查观察和分析研究，指出了船舶在随浪或尾斜浪中航行时的船舶稳性降低的一些直观因素：波峰处于船舯附近时稳性会降低

9、，而波谷处于船舯时则稳性有所提高。哈尔溟T程大学硕士学位论文1961年，美国加利福尼亚大学位壳利分校的Paulling教授利用集装箱船和货船模型，在旧金山湾进行了随浪、尾斜浪和横浪的试验畸L呻1，并根据试验研究提怠了随浪中船舶倾覆的三种模式：王)纯稳性损失，在随浪航行时，若船速接近波速，船长接近波长，波峰位于船舯附近，则船舶稳性将大大降低；2)低频共振(参数共振)，当摇荡的遭遇频率近似等于横摇圈有频率2倍时，横摇将以固有频率(而非遭遇频率)摇荡，而且摇荡