船舶耐波性及其评价方法综述

船舶耐波性及其评价方法综述

熊云峰熊文海

（武汉理工大学，武汉430063）

摘要: 随着人们对船舶在波浪上的航行性能愈来愈重视，船舶耐波性的好坏已成为衡量现代化船舶航行性能的重要衡准之一，本文通过对船舶耐波性的分析，总结了船舶在波浪中航行时的耐波性衡准，并对各种船舶耐波性评价方法作了较为全面的介绍和总结，同时提出了今后研究工作的方向和重点。

关键词: 船舶耐波性；衡准；评价；综述

1引言

船舶耐波性及其评价方法是船舶设计和航海人员及海事管理部门都十分重视的研究课题。寻找使用方便且行之有效的船舶耐波性评价方法与衡准也一直是船舶耐波性研究人员所追求的目的之一。但由于船舶耐波性问题的复杂性，迄今尚无统一的耐波性衡准指标，船舶耐波性评价方法也多种多样。因此，深入了解以往研究所用的各种评估方法及其研究成果，对于进一步完善船舶耐波性及其评价方法的研究，找到更加方便、合理、准确的评价方法，减少船舶在风浪中发生危险的可能性，无疑具有重大的意义。为此，本文力图对船舶耐波性及其评价方法进行较为全面的介绍和总结，并提出今后研究工作的方向和重点，供船舶耐波性研究人员参考。

2 船舶耐波性概述

船舶耐波性是研究船舶在波浪中运动规律的一门学科。对商船而言，耐波性是指船舶在波浪扰动下，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，仍能够维持一定航速在波浪中安全航行的性能。对于舰艇而言，我国海军规定：“耐波性是指舰艇在一定海况下具有适当的舰体运动环境，以保证人员及各种武器、系统和其他装备能正常工作的能力”。

对于船舶耐波性的研究，它是随着船舶工业的发展和计算机技术的发展而不断在发展，但是研究船舶耐波性的基本方法主要有两种：

（1）理论计算与分析法

船舶在波浪中的摇荡运动，从力学的观点看，包括两个

方面：一是刚体动力学问题，即船舶作为一般刚体在受到外力作用下产生运动的问题。船舶在波浪扰动下的摇荡运动同周期性扰动力作用下的振荡器的振动类似，因此，研究船舶摇荡运动归结为建立船舶摇荡运动的微分方程及求解。另一方面是流体动力学问题。船舶在波浪中运动所受的外力主要是流体作用力。这些力的大小和变化与船舶以及流体相对运动有关。一般采用流体动力学方法计算。

这两方面的问题是相互关联的，即船舶运动影响它的受力，而其受力又影响船舶运动。因此解决这类问题通常是寻求船舶的受力及其运动量间的函数关系。

（2）试验方法

在船舶耐波性的研究中，除理论研究外试验研究也占极其重要的地位。试验包括实船试验和船模试验。试验可以帮助我们观察海浪和船舶的运动现象，寻求内在的规律性，验证理论计算结果。

3 船舶耐波性衡准

船舶耐波性衡准是指在船舶受到波浪扰动而产生运动的影响下，人员、船体或船舶上的系统（设备）能否进行作业、完成任务的极限指标。船舶耐波性是由许多基本的耐波性因素所决定，通常包括六自由度的运动、线（角）速度及线（角）加速度，以及诸如甲板上浪、螺旋桨出水、船首砰击等耐波性事件和晕船率等。由于船舶耐波性衡准同船舶的

任务、人员的素质及系统（设备）的功能有着直接联系，不同的任务要求不同的系统（设备）正常有效地工作。因此，很难对每一耐波性因素做出一个绝对统一的衡准，一般情况下船舶耐波性衡准的设置主要考虑船舶安全性、作战或作业使用性、适居性三个方面的因素。在考虑了以上三方面因素的情况下，不同的组织、不同的学者对耐波性衡准有不同的建议：

（1）中国船舶科学研究中心提出的耐波性衡准如表1所示：表1中国船舶科学研究中心耐波性衡准

（2）北欧合作研究计划也对船舶耐波性进行了综合考察，他们提出了如表2的预报船舶作业特性的基本耐波性衡准：

表2北欧合作研究计划耐波性衡准

（3）对于以航运为主的商船的耐波性衡准，Karppinen作了比较全面深入的研究，提出了如表3所示的商船一般作业的耐波性衡准：

表3商船一般作业的耐波性衡准

4 船舶耐波性评价方法综述

船舶耐波性的优劣直接关系到船舶的适居性、航行使用性和安全性，船舶耐波性的好坏已成为衡量现代化船舶航行性能的重要衡准之一。因此，对船舶的耐波性作出科学评价尤为重要。但由于耐波性问题的复杂性，至今国际上关于船舶耐波性评价方法的研究，总的来说还没有形成公认的实用方法。目前国际上常用的船舶耐波性评价方法有：

(1)以作业时间百分数作为耐波性评价指标来评估船舶的耐

波性

作业时间百分数是船舶在规定的装载及环境条件下执行任务时成功的作业的时间百分数；即：作业时间百分数=海浪中可完成任务的时间/静水中可完成任务的时间。在某一特定航速浪向作业时间百分数预报的基本的步骤为：

a.由试验或计算得到各种响应在整个有关频率范围的频率响应函数；

b.就一系列谱峰周期的波浪谱计算响应的均方根值，谱峰周期应覆盖整个周期范围；

c.选定响应的极限衡准值，就每当波浪周期计算出极限有义

波高；

d.计算每当波浪周期的作业时间和最后求出在整个海域的作

业时间。

作业时间百分数是直观而明确的量化指标，它们不仅是

体现耐波性品质的综合指标，而且可以同经济分析相联系，

从而对船舶的效益（作战能力、运输效率等）作出全面的评

价，因此是船舶营运决策及设计的一个重要依据。

(2)利用船舶的主要参数来表达船舶的耐波性

由于通过各种模拟计算得到的船舶耐波性特征值有一

定误差，而通过实验方法获得船舶耐波性特征值所耗费的人

力、物力和财力过于巨大，一些学者试图寻找船舶主要参数

与耐波 性的关系。这其中较著名的是贝尔斯通过对驱逐船舶型和耐

波性特征量之间关系所做的深入研究，把反映耐波性能优劣

的“耐波性品级”与船型的几何特征用简明的数学关系式直

接联系起来，既可以评价船舶的耐波性，又可据此优选最佳

耐波性的船型。贝尔斯认为，船舶耐波性指数R 与以下8种

耐波性特征量相联系:纵摇、垂荡、在0站和20站的相对运

动、3站处的砰击、0站处的垂向绝对加速度和垂荡加速度、

20站的垂向绝对运动。在经过深入分析后,贝尔斯认为，最

有影响的水下参数有6个:舯前水线面系数wf C 、舯后水线面

系数wa C ，吃水与船长比T/L ，截至比C/L ，舯前棱形系数vpf C 、

舯后棱形系数vpa C ；船舶耐波性指数R 与上述各参数间存在

简单的线性关系。经过对20艘有代表性的船舶的计算分析，

回归得到下式：

R=8.422+45.104wf C +10.078wa C -378.465d/L+1.273C/L