船舶耐波性研究起源虽早,但发展缓慢。相当长一段时间内,研究工作局限于研究船在静水及规则波中的运动。进入20世纪后,随着造船工业的迅猛发展,耐波性研究日益受到重视。1955年,科文·克劳斯科夫斯基提出用“切片理论”计算船舶的升沉和纵摇运动,成为理论方法计算船舶纵向运动的起点。进入70年代后,随着计算机技术的发展和普及,广泛应用概率和数理统计理论,利用谱分析方法,研究复杂的波浪及船舶运动,使理论研究更具实用价值,可通过理论计算方法预报实船航行中的运动性能。除理论分析方法外,实船和船模的试验研究可以用于验证理论计算结果,并解决一些不能完全用理论方法分析的问题。渔船耐波性属船舶耐波性研究范围。
渔船耐波性
渔船在风浪中遭受外力干扰产生各种摇荡运动、砰击、甲板上浪、失速、螺旋桨出水以及波浪弯矩等情况下,仍具有足够的稳性和船体结构强度,并能维持一定航速在波浪中安全航行和作业的性能。本质指船在给定的环境条件下规定时间内完成任务的能力。
- 英文名称
- sea-keeping abilities of fishing vessel
- 所属学科
- 渔业
渔船在风浪中的运动可以分解为在三维坐标系中船体沿3个坐标轴的直线运动和绕3个坐标轴的转动。这些运动又有单向运动和往复运动之分,共有12种运动形式(见表)。
坐标轴 | 直线运动 | 转动 | ||
单向运动 | 往复运动 | 单向运动 | 往复运动 | |
纵向x | 前进或后退 | 纵荡 | 横倾 | 横摇 |
横向y | 横漂 | 横荡 | 纵倾 | 纵摇 |
垂向z | 上浮或下沉 | 垂荡 | 回转 | 首摇 |
12种运动形式中横摇、纵摇和垂荡3种往复运动对船舶航行影响最大,是研究渔船在风浪中摇荡运动的主要内容。摇荡运动的共同特点是在平衡位置附近做周期性的震荡运动,其衡量参数是摇荡幅度和摇荡周期。产生何种摇荡形式取决于船首方向与风浪传播方向之间的夹角(遭遇浪向)。
主要类型有:①船舶六自由度摇荡。其中,运动显著、影响严重的是横摇、纵摇和垂荡。船舶摇荡是耐波性的主要内容,一般来说,摇荡较缓和的船耐波性也较优良。②砰击。由严重的纵摇和垂荡引起的波浪猛烈的局部冲击船体的现象。砰击多发生在船首部,当船首受波浪作用抬起又快速落下时易受到水的猛烈撞击。③上浪。船在风浪中剧烈摇荡时波浪涌上甲板的现象。上浪时船首会埋入波浪中,甲板上水。④失速。船的推进动力装置功率调定后,由于在风浪中航行摇荡剧烈,航速比静水中航行时的航速要低,降低幅度称失速。包括风浪失速和主动减速。⑤螺旋桨飞车。船在风浪中航行,螺旋桨叶部分露出水面,转速剧增,并伴随振动强烈的现象。
渔船在波浪中的运动是不可避免的,耐波性是渔船在风浪中性能的总的反应。摇荡、砰击、上浪、失速、螺旋桨飞车等现象容易造成渔船在风浪中航行阻力增加,推进效率降低,螺旋桨飞车和激振,上浪、砰击、波浪弯矩和剪力损坏结构,运动加速度和摆幅影响仪器设备操作和人员晕船,过度摇摆损失稳性甚至船只倾覆,操纵性失控以致碰撞和触礁。即渔船耐波性影响渔船的适居性、航行和作业使用性、安全性。应在渔船设计、建造过程中充分考量、优化分析,并采取有效措施化解。
影响耐波性的因素很多,不同因素的作用程度不一样,单一因素的优劣不代表总体优劣,耐波性是所有因素共同作用的结果。
船长影响纵摇和垂荡,增加船长是有利的。当船长对常遇波浪波长之比大于1.3时纵摇和垂荡不会很严重。短小的船遭遇长波时则无法避免剧烈的纵摇和垂荡,特别是当船长接近波长时。船宽影响稳性和横摇,减小船宽对减缓横摇和砰击有利,但对稳性和布置不利。吃水影响横摇、纵摇和垂荡,增加吃水有利减小横摇和砰击,减小吃水有利缓和纵摇和垂荡。
初稳性高是渔船安全的重要衡准,也是横摇的主要参数,影响横摇固有周期。减小初稳性高时,横摇固有周期增大,横摇变缓、幅度减小,但对稳性不利。横摇固有周期是评价渔船耐波性的一项重要参数,一般中小渔船在5~8秒。中国东海一带常遇到的波浪波长在50~60米、相应波浪周期在6秒左右,在此地作业的渔船的横摇固有周期最好避开这一数值。在同一初稳性高的情况下,重心离浮心越近,横摇幅值越小,这对设计有所帮助。
方形系数增大有利减缓横摇,但纵摇、垂荡、失速和砰击会有所加大。中横剖面系数增大有利减缓横摇,同时减小棱形系数也有利于快速性。水线面系数增大有利减缓横摇、纵摇和垂荡。棱形系数减小有利减小砰击和失速。
干舷和舷弧增大可以增加储备浮力,有利改善上浪、纵摇和垂荡,但要注意重心升高的影响。
渔船船型从有利耐波性考虑,首部采用V形剖面结合较大外飘、尾部采用巡洋舰尾、中部尽量丰满。
重量尽量集中到中部,减小纵向惯性矩对减小纵摇、砰击和结构受力有利。重的设备布置在两舷增大横向惯性矩有利增加横摇周期,降低横摇加速度,改善横摇。
渔船耐波性的基本要求是船体摇荡要缓和,幅度和加速度要小,有利于减轻船员晕船、减少摇摆对作业的影响、降低风浪中阻力增加值、避免螺旋桨出水、减少砰击和甲板上浪、保持风浪中操作自如、保证摇荡时的结构安全性、防止船体横倾过大而失稳或倾覆。渔船耐波性的多个因素常会和其他性能发生冲突,如较大的方形系数对耐波性有利但对快速性不利,减小初稳性高对耐波性有利但对稳性不利,这些矛盾需要权衡利弊后决定取舍。
一般渔船设计中优先根据使用功能、造价、装载要求、稳性和快速性等确定主尺度和船型系数,再辅之以耐波性参数的优化匹配。在船型既定情况下,通常主要通过采用减摇装置来改善耐波性。减摇装置分船外附体装置和船内装置两大类,前者对快速性有所影响。船外附体减摇装置普遍使用被动式舭龙骨和竖龙骨,其提供横摇阻尼减缓横摇,一般可以减少横摇幅度20%~30%。主动式减摇鳍可通过操纵机构转动,水流在翼形表面产生升力形成减摇力矩抵抗横摇,低速时效果不明显,高速时效果极佳,可减摇60%~80%,但因造价贵在渔船上用得不多。船内减摇装置主要是减摇水舱,其在各种航速下均有效,在较高航速时效果不如减摇鳍,缺点是占用船内空间。减摇水舱分主动式、被动式和可控被动式,工作原理主要是利用左右舷侧水舱液位高度不同而产生的复原力矩来抵消波浪横摇力矩,一般能减摇30%~40%,因造价低一些大型渔船也有采用。
耐波性的研究预估有理论方法和试验方法。①理论方法。主要依据线性叠加原理和切片理论计算分析研究。②试验方法。通过模型试验分析研究。通常用耐波性综合指标来评判和预估耐波性,其表征为渔船作业时间百分数(特定装载工况时给定波浪条件下可完成作业的时间除以静水条件下可完成作业的时间)或渔船期望航速百分数(特定装载工况时给定波浪条件下的平均航速除以静水条件下的平均航速)。综合指标中将涉及耐波性的摇荡、上浪、失速等各计算项目按不同权重叠加,结合海况资料进行计算,所得百分数越高者耐波性越好。另外,还可用渔船在给定装载工况和航速时,耐波性各项基本因素不超过预定标准前提下,所能承受的最高浪高来衡量,能达到的浪高越高耐波性越好。一般通过若干组船型参数,特别是借鉴优秀母型船参数,比较分析,从中选优。