1、第卷第期 中 国舰船研究 年月 水面舰船耐波性指标及对软件的评价 董文才 左文锵 吴晓 光 （中国舰船研究设计中心，湖北武 汉， 海军工程大学船舶与海洋工程系，湖北武汉） 摘要：针对目前国内军用舰船耐波性计算书中存在的问题，结合舰船通用规范中对适航性的规定，对水 面舰船耐波性指标进行了较详细说明，指出军用舰船耐波性理论预报中值得注意的问题，并分析了目前较为 流行的商用软件的适用船型和预报精度。 关键词：耐波性；理论预报；软件；舰船通用规范 中图分类号： 文献标识码： 文章编号：（） ，耽。 “耽，增包口 ： ， ， ：； ； ； 随着我国对海洋经济及海洋权益的日益重 对适航性的规定，对水面舰船
2、耐波性预指标进行视，对舰船耐波性的要求越来越高，对舰船耐波性 分析，并指出目前较为流行的商用软件的重视已贯穿舰船设计、 验收、使用等 过程，在 这 （和版）的适用船型和预报精度。些过程中，经常涉及到舰船耐波性指标。 “规范”对水面舰船适航性的规定 总的来说，舰船耐波性指标是指规范对舰船在航行海区中的各种运动及其引起的动力效应的 及分析许可值，它一般包括横摇、纵摇、垂 荡、艏摇、横荡、“规范”第章规定了舰船适航性要求，包 纵荡，以及特殊部位的位移、运动速度、运动加速 括为保证舰船在风浪中安全航行并有效作业的性度、甲板上浪、艏底砰击、螺旋桨出水次数等运动 能要求、衡准及预报方法要求。响应的有义幅值
3、的指标。在舰船技术设计评审阶 “规范” 对海况及浪谱的 规定段，需要舰船设计部门提交舰船耐波性计算书。由于种种原因，目前国内部分舰船的耐波性计算 “规范”将海况的等级分为个级别，各海况书存在计算项目不全、计算状态交代不清、计算数 的有义浪高范围及其对应的风速范围，见“规范”据存在错误、结论过于简单或含糊不清等情况，这 第条。些情况反映出有些 舰船耐波性计算者对舰船耐波 “规范”规定在舰船适航性 预报中，海浪谱采性指标的理解和重视程度不够，也反映了舰船耐 用舰船预定活动海域的实测波谱。在缺乏实测海波性预报的不规范。近年来，作者在参与型舰 浪谱资料时，可按开 阔海域或有限海域的情况，采船的耐波性审
4、图工作过程中，发现了上述问题， 用国际水池会议推荐的海浪谱。开 阔海域采用国并参照舰船通用规范（以下简称“规范” ）中 际水池会议推荐的长峰海浪谱，其表达式为： 收稿日期：一 作者 简介：董文才（一），男，博士后，教授，博士生导师 万 方数据 中 国舰船研究 第卷 “）：坠挚（一等（） 、 ， 荡、纵摇、艏部加速度、重心处加速度、艉部加速度 应不高于其限界线的规定（“规范” 附录第 （） 条）。进行海上作业（海上补给、直升机起式中， 为波浪频率， 单位为。 降、声呐有效工作、导弹及火炮发射）时，还应满 足“规范”节中所列之 值。 ，：盯生 （） 另外，无特殊要求时，水面战斗舰船干舷高度，式中，
5、。、。分别为波谱的阶矩和阶矩。应满足在武器系统正常使用所要求的海况下，经受 值得注意的是“ 规范”称为波浪平均周 甲板上浪频度每 不宜超过次的要求。期，有些教材称其为特征周期 “。，它 实际上是波 舰船的耐波性应能满足舰员作业对舰体运动谱能量中心所对应的周期，即波浪谱形心周期”， 耐受力的要求。在无具体资料可供使用时，可采与平均跨零周期、平均峰谱周期不同，也不同于 谱 用“ 规范”附录所 给出的“舰员对舰船运 动峰周期丁。， 应注意瓦与谱峰周期丁。之间的关系： 耐受力的评价衡准”进行核算。 。 砟 （） “规范”使用中应注意的问题 在舰船耐波性计算书中，经常出现混淆特征 ）舰船在波浪中各种运动
6、的幅值与舰船运周期丁，和谱峰周期丁。的情况。 动传递函数和海浪 谱有关。进行舰船耐波性预报 当预报舰船在短峰波中的适航性能时，应根 时， “规范”首先要求使用舰船活动海域的实测统据“规 范” 第条的要求进行。 计资料，而在大多数情况下， 设计阶段航行海区的 波高与波浪周期的对应关系应根据舰船活动 实测统计资料是不知道的，“ 规范”推荐可按开阔海域的实测统计资料确定。当缺乏实测资料时， 海域或有限海域的情况分别采用国际水池会议推可参照使用所列的北半球大洋海浪的 荐的长峰海浪谱及短峰海浪谱。年平均统计资料（“ 规范”第条）。 ）长峰海浪谱及短峰海浪谱的表达式中均对于适航性考核，应在规定的海浪等级波
7、高范围 包含有义浪高和特征周期，短峰海浪谱的表达中，给出规定的有义波高值。不指定有义波高值 式还包含扩散方向，它们对运动幅值的预报影响时，可取规定海浪等级的有义波高上限值作为考 很大。“ 规范”对有义浪高的选取有很明确的规核用有义波高值，同时， 还应明确给出对应的海浪 定，但在，的选取上并不具体，这就容易产生误平均周期或谱峰周期值的范围。 解。特征周期应该是根据公式（）确定的，它适航性衡准 不同于谱峰周期。，但。和丁。存在关系式（）。 舰船适航性预报的运动要素一般为：纵摇、垂 ）无实钡统计资料时，“规范”推荐使用的荡、横摇，以及艏、舯（重心处）和艉部的垂向加速 “北半球大洋海浪年平均资料” 中
8、，没有直接给出度、波浪中阻力增加等，在条件具备时，还应预报 公式（）所要求的特征周期，但给出了谱峰周水面状态的艏甲板上浪、艏底砰击及出水、螺旋桨 期丁。的范围和最可能出现的值，根据公式（）就出水等的概率或频度。 可确定特征周期的范围和最可能出现的值。 “规范”规定：舰船的适航性能由舰船研制总 ）由于“规范” 在特征周期的 选取上无具要求提出，包括用有 义波高和海浪周期表达的安 体的说明，因此进行舰船耐波性预报时，就应该对全航行的海浪等级、人员正常作业，以及使用各种 特定的有义浪高下可能出现的特征周期，都进行武器、系统、装备的海浪等级。在规定海况下，舰 计算，并从中选出运动幅度最大的值和所对应的
9、船耐波性应能满足研制总要求提出的武器、系统、 特征周期的值，但这会导致计算和分析工作量的装置正常作业对舰体运动响应的要求，并按此要 大量增加，能否直接采用特征周期最可能出现的求核算耐波性能。 值作为特征周期的标准值得商榷。 当研制总要求对水面舰船耐波性要素没有提 ）采用最恶劣的航行情况下运动限界曲线出具体衡准值或限界值要求时，舰船在风浪中各 进行适航性衡准时，对部分船型会出现低海况不种航行状态下保证安全航行所允许的最大横摇单 满足高海况反而满足的情况，产生这种现象与特幅值为。、最大纵摇单幅值为。（大于级海 征周期丁，的选取有关， 这对运动限界曲线的适用浪允许避开不利航向）。同时一般情况还应满足
10、 范围和有效性提出了质疑。“ 规范”附录所给出的舰船耐波性衡准，即 ）在研制总要求无特殊规定时，舰船在风浪在级及级以下海况的最严重航行情况下，垂 中各种航行状态下保证安全航行等允许的横摇和 万 方数据第期 董文才等：水面舰船耐波性指标及对 软件的评价 纵摇最大值分别为。和。，这是最基本的要求，而在不少耐波性计算书中未能给出最大横摇值和最大纵摇值。 。 燃 纵向运动预报精度分析 关于船舶在波浪中的运动预报，目前国际上已形成了多种理论（如三维理论、综合细长体理论、切片理论）。 这些理论的基本假设均为水是 图 非圆舭型刮面变换前后的形状均匀、不可压缩、无粘和无旋的理想 势流，运 动是微幅、线性的。对
11、纵向运动而言，这种假设是合理 特征的影响，也没有考虑前进速度所引起的垂向的，其理论预报结果已基本达到了工程应用的目 动升力的作用，因此，它的适用船型受到限制，运的。但对非线性很强的横摇而言，若不考虑横摇 动预报结果的可靠性值得分析。阻尼的非线性，其计算结果大大地偏离实际值，而 为了分析的适用范围及纵向运动横摇阻尼的准确确定目前还只能依赖于试验数 计算精度，图中所示的排水量分别为 级据。目前，所有关于横摇理论预报的商业软件中， （计算模型）、 级（模型）、 级（模横摇阻尼必须人工输入，这对某些无横摇阻尼试 型）三种非直壁剖面的舰艇。采用计验数据的情况，横摇预报具有太多的随意性，更谈 算了其迎浪、
12、艏斜浪、正横浪、艉斜浪状态下的纵不上预报精度。在横摇的预报中，商用 软件 向运动，并将有关试验结果和海军工程大学（以的精度是与试验数据的精度有关的，因此 下简称“海工”）新版耐波性预报程序计算结果进在这里不讨论其横摇预报精度。 行了比较。由于切片理论在顺浪状态的计算结果 印的基本假设 误差较大，未计算顺浪状态。 商用软件采用切片理 论预报船体的垂荡和纵摇运动，不计粘性阻尼；船体细长（船长大于船宽和吃水，船宽远小于波长），船体是刚性，不 发生结构变形；运动是微幅的（至少运动对 计算模型波幅是线性的）；船体剖面是直壁的；水深远大于波长，可以采用深水波近似；船体对波浪无影响。 一哆一型另外，采用叠加
13、原理计算船体在不规则波中的运动响应。 剖面变换的精度分析 及其以下版本在计算二维剖面水动力系数时，采用了三系数的保角变换方法，但它只能满足变换后的剖面和原剖面在水线宽、吃 殇水、剖面面 积等。这种变换方式，忽略了剖面的细微特征， 对圆舭型剖面，变换后的剖面一般较好地 接近原剖面，但对折角型剖面、球鼻型剖面等剖 算模型面线型变化较大的情况，变换后的剖面与原剖面的差别较大，如图所示。 图三种典型舰船的横剖面图 纵向运 动预报精度分析 “海工”新版舰船耐波性预报程序考虑了舰艇 采用了切片理论， 总体上讲，切片 高速运动所产生的动升力、船体浮态的变化对船体理论适用于中低速船，若船体细长，长度傅氏数接
14、运动的影响，在水动力的计算中，采用了精近时，也能给出合理的预报值，但在顺浪状态 确拟合源汇分布法，能精确表示剖面的细微特征，下切片理论的计算结果不精确。另外由于 理论上除顺浪状态外， 该程序纵向运动预报值具有 足够的精度，得到了艘分别为 级实在计算水动力系数时，只采用三系数的保角变换方法，忽略了船体外飘、非直壁、剖面细 微 艇（舰）耐波性实测数据以及大量模型试验数据的 万 方数据 中 国舰船研究 第卷验证，已成功地 应用到海军种类型舰艇的耐波性 向运动分别采用、“海工” 程序进行了计审图复算中，其中关于高速艇纵向运动的预报还得 算，并与有关试验结果进行了比较。其结果表明：到了试验值的验证“。
15、所计算浪向下，对具有折角线或球鼻艏剖面的舰 像大多数商用、学院式船舶运动预报软件一 船，和“ 海工”新版程序的计算结果存在样，“海工”程序对横摇阻尼的处理也需要横摇阻 一定的差别，但“ 海工”的计算结果与试验结果较尼试验数据或经验公式的支持，因此本文不对该 为接近。考虑到迎浪状态下纵向运动最剧烈，同预报程序与横摇预报精度进行对比。 时， 及其以下版本纵向运动预报精 影响船舶运动幅度的因素很多，当船型及航 度受到三系数保角变换的限制（其计算剖面与原行海区确定时，影响纵向运动参数还有浪向角、浪 剖面有较大的差别）。 为了叙述简便，本文只给高、航速等因素。 对船舶运动预报精度的分析，最 出、“海工”程序对迎浪不同航速下，三好是分析其规则波中的运 动传递函数。 种船型纵向运动的计算结果，见图一图。图中 作者对三种船型、四种浪向角、不同航速下 纵 。，。，。，晟，小依次表示垂荡幅值、纵摇幅 图计算模型迎浪纵向运动的比较 万 方数据第期 董文才等：水面舰船耐波性指标及对 软件的评价 。 吣 晰 。 驰 雌 .
