超大型集装箱船参数横摇全面校核与安全评估
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
第 12 卷 第 3 期 第230期17 年 6 月
中国舰船研究 Chinese Journal of Ship Research
Vol.12 No.3 Jun. 2017
引用格式：马骋远，马宁，王廷昊，等. 超大型集装箱船参数横摇全面校核与安全评估［J］. 中国舰船研究，2017，12（3）：7-15. MA C Y，MA N，WANG T H，et al. Comprehensive calculation and safety assessment of parametric roll of very large container ship［J］. Chinese Journal of Ship Research，2017，12（3）：7-15.
大 型 集 装 箱 船 对 于 参 数 横 摇 比 较 敏 感 ，从 对 包括 APL CHINA 号（C11 集装箱船）在内的若干实 船 事 故 的 调 查 报 告 可 以 发 现［5］，大 幅 横 摇 甚 至 是 倾覆所带来的人员伤亡与财产损失将更为惨重。 傅 超 等［8］结 合 第 2 代 完 整 稳 性 参 数 横 摇 前 2 层 衡 准 和 七 〇 二 所 开 发 的 稳 性 评 估 软 件 平 台 ，就 舭 龙 骨面积与重心高度对 C11 集装箱船的参数横摇敏 感 因 素 进 行 分 析 ，并 对 船 艏 和 船 艉 的 型 线 进 行 改 进 ，达 到 了 改 善 参 数 横 摇 的 目 的 。 但 对 此 类 船 型 开展 3 个层次的全面校核工作的并不多。因此， 在 远 洋 货 轮 航 行 安 全 性 更 受 关 注 的 当 代 ，对 万 箱 级集装箱船舶进行安全性评估的意义将显得格外 突 出 ，也 可 以 更 好 地 指 导 超 大 型 集 装 箱 船 总 体 设 计，为提高安全水平提供更具基础性的研究。
超大型集装箱船参数横摇全面校核与安全评估
马骋远 1，2，马宁 2，3，王廷昊 1，2，顾解忡 2，3
1 上海交通大学 船舶海洋与建筑工程学院，上海 200240 2 高新船舶与深海开发装备协同创新中心，上海 200240 3 上海交通大学 海洋工程国家重点实验室，上海 200240
摘 要：［目的］由于超大型集装箱船在波浪中稳性高的变化较为显著，对其参数横摇校核与安全评估要求较
针 对 此 ，Bulian［10］考 虑 通 过 静 水 力 计 算 得 到 的 垂 荡 和 纵 摇 运 动 对 参 数 横 摇 的 影 响 ，提 出 一 种 1.5 自由度模型，得到了一种较为准确的参数横摇 时 域 模 拟 方 法 。 Spanos 和 Papanikolaou［11］采 用 基 于脉冲响应函数法的六自由度模型对渔船和滚装 船 进 行 了 数 值 模 拟 ，结 果 显 示 横 摇 与 纵 摇 耦 合 ， 非线性回复力对参数横摇计算结果影响较大。 Sadat-Hosseini 等 采 ［12］ 用 CFD 方 法 研 究 了 一 艘 水 面 舰 艇 的 参 数 横 摇 问 题 ，发 现 在 迎 浪 下 模 拟 结 果 与实验结果吻合较好，但采用 CFD 计算耗时巨大。
收稿日期：2016 - 11 - 28
网络出版时间：2017-5-12 13:01
基金项目：财政部、教育部重大科研专项基金资助项目（GKZY010004）；国家自然科学基金资助项目（51579144）
作者简介：马骋远，男，1992 年生，硕士生。研究方向：波浪中的船舶稳性与安全性设计。
马宁（通信作者），男，1961 年生，博士，教授，博士生导师。研究方向：船舶与海洋结构物 耐波性及安全性，海洋波浪数值模拟预报。
2 Collaborative Innovation Center for Advanced Ship and Deep-Sea Exploration，Shanghai 200240，China 3 State Key Laboratory of Ocean Engineering，Shanghai Jiao Tong University，Shanghai 200240，China
IMO 参数横摇第 2 代完整稳性规则预计将于 2019 年 定 稿 ，其 中 第 1、第 2 层 衡 准 规 则 已 趋 成 熟 ，公 式 体 系 也 已 逐 渐 被 众 多 研 究 机 构 所 认 可 。 Umeda 等［9］将参数横摇简化为单自由度横摇运动 模 型 ，其 中 非 线 性 回 复 力 采 用 与 波 陡 相 关 的 非 线 性 函 数 进 行 表 达 。 梁 海 滨 等［2］基 于 参 数 横 摇 衡 准 ，采 用 多 元 线 性 回 归 方 法 计 算 了 静 水 中 的 回 复 力系数，并运用二分法求解横摇幅值，根据对某渔
根据参数横摇的研究成果并考虑工程应用的 方便，IMO 将衡准划分为了 3 个层次，即第 1 层衡 准、第 2 层衡准和直接计算衡准。这 3 个层次的衡 准被设计为从简单的经验公式到采用单自由度非 线 性 力 学 方 法 ，直 至 采 用 较 为 复 杂 的 三 自 由 度 及 以 上 运 动 数 值 模 拟 手 段 预 报 参 数 横 摇 ，依 次 提 高 复 杂 程 度 并 预 报 精 度［7］。 在 实 船 设 计 中 ，仅 当 设 计方案无法通过低层次衡准时才需要进行更高层 次的衡准计算。
中图分类号：U661.32
文献标志码：A
DOI：10.3969/j.issn.1673-3185.2017.03.002
Comprehensive calculation and safety assessment of parametric roll of very large container ship
MA Chengyuan1，2，MA Ning2，3，WANG Tinghao1，2，GU Xiechong2，3 1 School of Naval Architecture，Ocean & Civil Engineering，Shanghai Jiao Tong University，Shanghai 200240，China
Abstract：As the significant variation of GM in waves for very large container ships, strict demands are raised for this ship type in the evaluation and safety assessment of parametric roll. Targeting a 10 000 TEU container ship sailing in head sea, this study conducts a series of calculations and evaluations on parametric roll motion in which each loading condition is calculated step-by-step. Direct calculation is conducted if neither Level 1 nor Level 2 is satisfied. In this paper, an independently developed time-domain simulation is conducted for loading conditions that fail to match the Level 2 criteria, which is based on a typical 3-DOF weakly nonlinear numerical model. Ship velocity and wave conditions are taken into consideration to explore sensible conditions concerning parametric roll. Finally, according to the results, corresponding safety assessments and several avoidance measures are proposed, such as reducing the height of the center of gravity and raising the speed moderately. In addition, if wave predictions can be detected in advance, the circumstance of the natural rolling period being twice as great as the encountering period should be avoided, which is the most sensible factor for inducing parametric roll. Comprehensive calculation and checking for the 10 000 TEU ship can instruct the general design and improve safety for very large container ships; as a result, remarkable engineering applications and reference value can be recognized. Key words：very large container ship；parametric roll；direct calculation；safety assessment
相应的安全性评估与规避措施：降低重心高度、适当提高航速、尽量避免船舶横摇固有周期约等于 2 倍遭遇周期
等均能有效避免参数横摇的发生。［结论］对 10 000 TEU 集装箱船进行的参数横摇全面校核评估能够更好地指
导超大型集装箱船的总体设计，提高安全水平，具有较高的工程应用及参考价值。
关键词：超大型集装箱船；参数横摇；直接计算；安全性评估
高，因此，［方法］基于参数横摇模式ห้องสมุดไป่ตู้针对在迎浪中航行的某 10 000 TEU 集装箱船，对其各个装载状况逐一并
逐级进行计算。自主开发基于典型弱非线性三自由度模型的数值预报方法，对不满足第 2 层衡准要求的载况进
行时域模拟，并综合考虑航速、波况的影响，全面探索其可能发生参数横摇的工况。［结果］根据衡准结果，得出
政 船 的 计 算 结 果 ，为 其 航 行 安 全 性 提 供 了 操 作 指 导。但是对于第 3 层衡准，不同计算方法与模型 的提案较多，且依旧处于样船计算阶段，还未形成 较 为 系 统 与 完 整 的 衡 准 框 架 。 因 此 在 定 稿 前 ，丰 富第 3 层衡准的样船信息与校核资料就变得十分 具有研究价值。
8
中国舰船研究
第 12 卷
0引言
国 际 海 事 组 织（IMO）正 在 制 定 包 括 参 数 横 摇、纯稳性丧失、骑浪/横甩、瘫船稳性和过度加速 度这 5 种稳性失效模式的第 2 代完整稳性规则［1］。 作为第 2 代完整稳性衡准中的一个重要部分，参 数横摇衡准的制定和实施将对船舶性能与设计产 生 重 大 影 响［2］。 对 于 在 纵 浪 中 航 行 的 船 舶 ，当 横 摇固有周期接近 2 倍的遭遇周期，且入射波长范 围 与 船 长 尺 度 接 近 时 ，水 线 面 积 会 随 波 浪 与 船 体 的 相 对 位 置 变 化 发 生 大 幅 波 动 ，进 而 引 起 初 稳 性 高 GM 的变化。此时，若船舶横摇阻尼较小，在很 小 的 初 始 横 向 扰 动 下 将 会 出 现 大 幅 横 摇 运 动 ，即 发生参数横摇现象 。 ［3-5］ 这类情况多发生于渔船、 客滚船和大型集装箱船［6］。
中国舰船研究 Chinese Journal of Ship Research
Vol.12 No.3 Jun. 2017
引用格式：马骋远，马宁，王廷昊，等. 超大型集装箱船参数横摇全面校核与安全评估［J］. 中国舰船研究，2017，12（3）：7-15. MA C Y，MA N，WANG T H，et al. Comprehensive calculation and safety assessment of parametric roll of very large container ship［J］. Chinese Journal of Ship Research，2017，12（3）：7-15.
大 型 集 装 箱 船 对 于 参 数 横 摇 比 较 敏 感 ，从 对 包括 APL CHINA 号（C11 集装箱船）在内的若干实 船 事 故 的 调 查 报 告 可 以 发 现［5］，大 幅 横 摇 甚 至 是 倾覆所带来的人员伤亡与财产损失将更为惨重。 傅 超 等［8］结 合 第 2 代 完 整 稳 性 参 数 横 摇 前 2 层 衡 准 和 七 〇 二 所 开 发 的 稳 性 评 估 软 件 平 台 ，就 舭 龙 骨面积与重心高度对 C11 集装箱船的参数横摇敏 感 因 素 进 行 分 析 ，并 对 船 艏 和 船 艉 的 型 线 进 行 改 进 ，达 到 了 改 善 参 数 横 摇 的 目 的 。 但 对 此 类 船 型 开展 3 个层次的全面校核工作的并不多。因此， 在 远 洋 货 轮 航 行 安 全 性 更 受 关 注 的 当 代 ，对 万 箱 级集装箱船舶进行安全性评估的意义将显得格外 突 出 ，也 可 以 更 好 地 指 导 超 大 型 集 装 箱 船 总 体 设 计，为提高安全水平提供更具基础性的研究。
超大型集装箱船参数横摇全面校核与安全评估
马骋远 1，2，马宁 2，3，王廷昊 1，2，顾解忡 2，3
1 上海交通大学 船舶海洋与建筑工程学院，上海 200240 2 高新船舶与深海开发装备协同创新中心，上海 200240 3 上海交通大学 海洋工程国家重点实验室，上海 200240
摘 要：［目的］由于超大型集装箱船在波浪中稳性高的变化较为显著，对其参数横摇校核与安全评估要求较
针 对 此 ，Bulian［10］考 虑 通 过 静 水 力 计 算 得 到 的 垂 荡 和 纵 摇 运 动 对 参 数 横 摇 的 影 响 ，提 出 一 种 1.5 自由度模型，得到了一种较为准确的参数横摇 时 域 模 拟 方 法 。 Spanos 和 Papanikolaou［11］采 用 基 于脉冲响应函数法的六自由度模型对渔船和滚装 船 进 行 了 数 值 模 拟 ，结 果 显 示 横 摇 与 纵 摇 耦 合 ， 非线性回复力对参数横摇计算结果影响较大。 Sadat-Hosseini 等 采 ［12］ 用 CFD 方 法 研 究 了 一 艘 水 面 舰 艇 的 参 数 横 摇 问 题 ，发 现 在 迎 浪 下 模 拟 结 果 与实验结果吻合较好，但采用 CFD 计算耗时巨大。
收稿日期：2016 - 11 - 28
网络出版时间：2017-5-12 13:01
基金项目：财政部、教育部重大科研专项基金资助项目（GKZY010004）；国家自然科学基金资助项目（51579144）
作者简介：马骋远，男，1992 年生，硕士生。研究方向：波浪中的船舶稳性与安全性设计。
马宁（通信作者），男，1961 年生，博士，教授，博士生导师。研究方向：船舶与海洋结构物 耐波性及安全性，海洋波浪数值模拟预报。
2 Collaborative Innovation Center for Advanced Ship and Deep-Sea Exploration，Shanghai 200240，China 3 State Key Laboratory of Ocean Engineering，Shanghai Jiao Tong University，Shanghai 200240，China
IMO 参数横摇第 2 代完整稳性规则预计将于 2019 年 定 稿 ，其 中 第 1、第 2 层 衡 准 规 则 已 趋 成 熟 ，公 式 体 系 也 已 逐 渐 被 众 多 研 究 机 构 所 认 可 。 Umeda 等［9］将参数横摇简化为单自由度横摇运动 模 型 ，其 中 非 线 性 回 复 力 采 用 与 波 陡 相 关 的 非 线 性 函 数 进 行 表 达 。 梁 海 滨 等［2］基 于 参 数 横 摇 衡 准 ，采 用 多 元 线 性 回 归 方 法 计 算 了 静 水 中 的 回 复 力系数，并运用二分法求解横摇幅值，根据对某渔
根据参数横摇的研究成果并考虑工程应用的 方便，IMO 将衡准划分为了 3 个层次，即第 1 层衡 准、第 2 层衡准和直接计算衡准。这 3 个层次的衡 准被设计为从简单的经验公式到采用单自由度非 线 性 力 学 方 法 ，直 至 采 用 较 为 复 杂 的 三 自 由 度 及 以 上 运 动 数 值 模 拟 手 段 预 报 参 数 横 摇 ，依 次 提 高 复 杂 程 度 并 预 报 精 度［7］。 在 实 船 设 计 中 ，仅 当 设 计方案无法通过低层次衡准时才需要进行更高层 次的衡准计算。
中图分类号：U661.32
文献标志码：A
DOI：10.3969/j.issn.1673-3185.2017.03.002
Comprehensive calculation and safety assessment of parametric roll of very large container ship
MA Chengyuan1，2，MA Ning2，3，WANG Tinghao1，2，GU Xiechong2，3 1 School of Naval Architecture，Ocean & Civil Engineering，Shanghai Jiao Tong University，Shanghai 200240，China
Abstract：As the significant variation of GM in waves for very large container ships, strict demands are raised for this ship type in the evaluation and safety assessment of parametric roll. Targeting a 10 000 TEU container ship sailing in head sea, this study conducts a series of calculations and evaluations on parametric roll motion in which each loading condition is calculated step-by-step. Direct calculation is conducted if neither Level 1 nor Level 2 is satisfied. In this paper, an independently developed time-domain simulation is conducted for loading conditions that fail to match the Level 2 criteria, which is based on a typical 3-DOF weakly nonlinear numerical model. Ship velocity and wave conditions are taken into consideration to explore sensible conditions concerning parametric roll. Finally, according to the results, corresponding safety assessments and several avoidance measures are proposed, such as reducing the height of the center of gravity and raising the speed moderately. In addition, if wave predictions can be detected in advance, the circumstance of the natural rolling period being twice as great as the encountering period should be avoided, which is the most sensible factor for inducing parametric roll. Comprehensive calculation and checking for the 10 000 TEU ship can instruct the general design and improve safety for very large container ships; as a result, remarkable engineering applications and reference value can be recognized. Key words：very large container ship；parametric roll；direct calculation；safety assessment
相应的安全性评估与规避措施：降低重心高度、适当提高航速、尽量避免船舶横摇固有周期约等于 2 倍遭遇周期
等均能有效避免参数横摇的发生。［结论］对 10 000 TEU 集装箱船进行的参数横摇全面校核评估能够更好地指
导超大型集装箱船的总体设计，提高安全水平，具有较高的工程应用及参考价值。
关键词：超大型集装箱船；参数横摇；直接计算；安全性评估
高，因此，［方法］基于参数横摇模式ห้องสมุดไป่ตู้针对在迎浪中航行的某 10 000 TEU 集装箱船，对其各个装载状况逐一并
逐级进行计算。自主开发基于典型弱非线性三自由度模型的数值预报方法，对不满足第 2 层衡准要求的载况进
行时域模拟，并综合考虑航速、波况的影响，全面探索其可能发生参数横摇的工况。［结果］根据衡准结果，得出
政 船 的 计 算 结 果 ，为 其 航 行 安 全 性 提 供 了 操 作 指 导。但是对于第 3 层衡准，不同计算方法与模型 的提案较多，且依旧处于样船计算阶段，还未形成 较 为 系 统 与 完 整 的 衡 准 框 架 。 因 此 在 定 稿 前 ，丰 富第 3 层衡准的样船信息与校核资料就变得十分 具有研究价值。
8
中国舰船研究
第 12 卷
0引言
国 际 海 事 组 织（IMO）正 在 制 定 包 括 参 数 横 摇、纯稳性丧失、骑浪/横甩、瘫船稳性和过度加速 度这 5 种稳性失效模式的第 2 代完整稳性规则［1］。 作为第 2 代完整稳性衡准中的一个重要部分，参 数横摇衡准的制定和实施将对船舶性能与设计产 生 重 大 影 响［2］。 对 于 在 纵 浪 中 航 行 的 船 舶 ，当 横 摇固有周期接近 2 倍的遭遇周期，且入射波长范 围 与 船 长 尺 度 接 近 时 ，水 线 面 积 会 随 波 浪 与 船 体 的 相 对 位 置 变 化 发 生 大 幅 波 动 ，进 而 引 起 初 稳 性 高 GM 的变化。此时，若船舶横摇阻尼较小，在很 小 的 初 始 横 向 扰 动 下 将 会 出 现 大 幅 横 摇 运 动 ，即 发生参数横摇现象 。 ［3-5］ 这类情况多发生于渔船、 客滚船和大型集装箱船［6］。