破損艦艇拖航中總縱強(qiáng)度的安全性分析

海軍工程大學(xué) 船舶與動(dòng)力學(xué)院 武漢 430033

艦艇無(wú)法自力航行時(shí)拖帶安全十分重要。失事或戰(zhàn)損的艦艇如果發(fā)生船體破損，分析破損艦艇拖航安全除了要周密地進(jìn)行拖帶相關(guān)計(jì)算外還要對(duì)破損艦艇的穩(wěn)性、總縱強(qiáng)度進(jìn)行必要的校核，根據(jù)拖帶航線上可能遭遇的氣象海況信息，找出最適合拖帶的航向航速，最大限度保證拖航過(guò)程中艦艇的安全。

1 求解艦艇波浪中垂向耦合運(yùn)動(dòng)

波浪中航行的艦艇垂向運(yùn)動(dòng)是垂蕩和縱搖耦合運(yùn)動(dòng)的結(jié)果，艦艇所承受的彎矩與此有關(guān)。Korvin-Kroukovsky切片理論能夠較好地解決該運(yùn)動(dòng)的問(wèn)題，并可求得令人滿意的數(shù)值解。它的實(shí)質(zhì)是將艦艇看成一系列橫向分段，如圖1所示，S0、S2、……S20為各肋骨站，相鄰剖面之間的流體沒(méi)有相互干涉，并假設(shè)每個(gè)切片的垂向運(yùn)動(dòng)由縱搖和垂蕩合成運(yùn)動(dòng)組成。通過(guò)對(duì)各個(gè)切片上的慣性力，流體靜力和阻尼力進(jìn)行分析，導(dǎo)出艦艇運(yùn)動(dòng)的方程。

圖1 船體模型

1.1 破損艦艇波浪中的垂蕩和縱搖運(yùn)動(dòng)描述

圖2 波浪中垂蕩和縱搖運(yùn)

(1)

bnwr——速度引起的流體阻尼；

cnzr——相對(duì)位移引起的流體靜力。

zr=z-ξθ-ζe-kz

(2)

假設(shè)遭遇的波浪是規(guī)則波，表示為：

ζ=ζasin(kξ-ωet)

(3)

ωe——遭遇波浪的圓頻率。

1.2 運(yùn)動(dòng)方程及求解

運(yùn)動(dòng)方程包括位移方程和角運(yùn)動(dòng)方程。

由(1)式并結(jié)合(2)、(3)式可導(dǎo)出位移方程。根據(jù)參考文獻(xiàn)[2]的相關(guān)結(jié)果可得到方程：

ξasin(kξ+ωet)e-kzcn

(4)

對(duì)(4)式沿船長(zhǎng)積分可以得一般形式：

(m+az)z″+bz′+cz+dθ″+eθ′+hθ=F(t)

(5)

式中：m——質(zhì)量；

az——附體質(zhì)量；

b——垂蕩阻尼系數(shù)；

c——垂蕩復(fù)原力系數(shù)；

d、e、h——耦合項(xiàng)。

擾動(dòng)力F(t)可表示為：

角運(yùn)動(dòng)方程的一般形式可表示為：

(Iyy+Ayy)θ″+Bθ′+Cθ+Dz″+Ez′+Hz

=M(t)

(6)

式中：Iyy——質(zhì)量慣性矩；

Ayy——附體質(zhì)量慣性矩；

B——縱搖阻尼系數(shù)；

C——縱搖復(fù)原力矩系數(shù)；

D、E、H——耦合項(xiàng)。

擾動(dòng)力矩為：

用上述方法確定各系數(shù)后即可對(duì)垂蕩和縱搖運(yùn)動(dòng)寫(xiě)成復(fù)數(shù)形式進(jìn)而求出近似解：

(7)

(8)

式中：σ,δ——相位角；

za——垂蕩幅值；

θa——縱搖幅值。

2 破損艦艇在規(guī)則波中承受的總縱彎矩

2.1 艦艇規(guī)則波中的載荷

根據(jù)垂蕩和縱搖運(yùn)動(dòng)，對(duì)于沿船長(zhǎng)每個(gè)切片所承受的載荷進(jìn)行積分，就可以求得總縱彎矩近似的結(jié)果。在規(guī)則波中，破損艦艇在垂蕩與縱搖運(yùn)動(dòng)中承受的載荷來(lái)自于以下幾個(gè)方面[2]。

2)艦船在水中運(yùn)動(dòng)時(shí)，相對(duì)水速度引起的載荷，記為：

(9)

3)單位船長(zhǎng)的質(zhì)量包括附體質(zhì)量在內(nèi)和水流慣性質(zhì)量所引起的載荷，記為：

an(z″-ξθ″+2uθ-ξ″e(cuò)-kz)

(10)

4)由于波浪中壓力梯度的影響引起的載荷，記為

(11)

式中：ρ——海水密度；

Wn——寬度。

5)縱搖和垂蕩運(yùn)動(dòng)的影響下，浮力分布發(fā)生變化，引起的載荷，記為：

(12)

對(duì)上式進(jìn)行積分，可以分別得到剪力和彎矩的方程[3]。

(13)

(14)

2.2 不同航向航速下被拖艦的船舯彎矩

考慮某受損艦船長(zhǎng)110 m，劃分20站，破損位置在船舯附近8號(hào)肋骨站處，破損后消除了由不對(duì)稱進(jìn)水產(chǎn)生的橫傾，拖帶過(guò)程中仍存在縱傾，艦艇的浮態(tài)經(jīng)檢查平均吃水Tm=4.0 m，首吃水TH=4.5 m，尾吃水TK=3.5 m。在拖帶海區(qū)遭遇波高3 m，波長(zhǎng)30 m的海況，以單船正拖的形式對(duì)該船進(jìn)行拖帶，可以估算船中所承受的剪力和彎矩。

不同航向時(shí)應(yīng)當(dāng)注意到艦艇與波浪的遭遇圓頻率將發(fā)生變化，其關(guān)系可以表述為：

(15)

式中：μ——遭遇角；

這里分析航向?yàn)轫斃撕晚樌说膬煞N形式，頂浪狀況選取首向角為180°～150°的情形，而順浪狀況選取首向角為0～30°的情形。航速的選擇以3～9 kn為主，船舯彎矩剪力值見(jiàn)表1、2。

表1 破損艦艇在3級(jí)海情下拖帶中船舯彎矩的極值預(yù)報(bào)kn·m

表2 破損艦艇在3級(jí)海情下拖帶中船舯剪力的極值預(yù)報(bào)kn·m

3 結(jié)論與建議

1) 考慮當(dāng)船舯附近破損，在較為理想的氣象條件下進(jìn)行拖帶的艦艇總縱強(qiáng)度，拖帶應(yīng)使被拖艦艇保持良好的浮態(tài)，如若不能滿足拖帶的基本條件則不能執(zhí)行拖航任務(wù)。對(duì)于首尾發(fā)生破損的艦艇應(yīng)當(dāng)對(duì)艦艇作適當(dāng)搶修后進(jìn)行拖航。

2) 拖帶破損艦艇應(yīng)當(dāng)盡可能地選擇較為理想的氣象條件。在客觀條件受限制的情況下，拖帶工作要從環(huán)境因素出發(fā)，計(jì)算不同航向航速情形下的剪力彎矩后，確定最合理的航向航速[4]。

從表1、2中的數(shù)據(jù)可以確定避免拖帶艦艇順浪航行的狀況發(fā)生。在頂浪航行的狀況中，通常在航速較低的情況下，航向只要保證在頂浪方向即可，從圖3中的數(shù)據(jù)可以看出，在頂浪方向上隨著航速的增加應(yīng)當(dāng)盡量保證拖帶航向180°，也就是說(shuō)，正頂浪航行。

3) 總縱強(qiáng)度的安全性評(píng)價(jià)是根據(jù)校核后的破損艦艇剩余強(qiáng)度來(lái)進(jìn)行的，而剩余強(qiáng)度的計(jì)算可以根據(jù)IACS規(guī)范準(zhǔn)則進(jìn)行[5,6]，因此在一定的海況條件下，保證艦艇拖帶有一個(gè)合理的航向航速是保障破損艦船拖航安全的關(guān)鍵。

圖3 最小彎矩時(shí)的航向航速對(duì)應(yīng)關(guān)系

[1] Korvin-Kroukovsky B V,W R Jacobs. Pitching and Heaving Motions of a Ship in Regular Waves[J]. Trans.SNAME,1957,5:500-632.

[2] R.Bhattacharyya, 鄔明川等譯. 海洋運(yùn)載工具動(dòng)力學(xué)[M]. 北京：海洋出版社，1982:247-251.

[3] 尹 群，管義峰等. 船舶靜水剪力和彎矩的計(jì)算及分析[J].造船技術(shù)，2002(1):12-15.

[4] Soares C G. Reliability of Maintained Ship Hulls Subjected to Corrosion[J]. J Ship Res,1996,40(3):235-243.

[5] 陳鐵云，王德禹，黃震球. 艦船結(jié)構(gòu)終極承載能力[M]. 上海：上海交通大學(xué)出版社，2005:122-129

[6] 魏 東，張圣坤. 基于規(guī)范要求的受損船體總縱剩余強(qiáng)度分析[J].上海交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2000(1):127-131.