三体船随浪中的完整稳性研究

５３卷第２期（总第２００期）　中　国　造　船　２０１２年６月　ＳＨＩＰＢＵ１ＬＤＩＮＧ　ＯＦ　ＣＨＩＮＡ　、ｒ０１．５３　Ｎｏ．２（Ｓｅｒｉａｌ　Ｎｏ．２００）　Ｊｕｎ．２０ｌ２　

文章编号：１０００．４８８２（２０１２）０２　０００１．１　１　

三体船随浪中的完整稳性研究　

李磊　，宗　智。　

（１．大连理工大学运载工程与力学学部船舶工程学院，大连１１６０２４；　２．大连理工大学工业装备结构分析国家重点实验室，大连１１６０２４）　

摘　要　

随浪航行波峰位于船中时，容易引起单体船稳性的丧失，但是此结论对三体船是否适用尚待进一步研究。　以一条三体船型为例，研究了三体船型在波浪中的完整稳性。对侧体不同位置的多种方案进行了计算。结果　

表明：当侧体纵向位置位于船舯、船尾和舯前（侧体横向位置较大）时，波浪中的初稳性较静水中反而有所　增加，波浪中的大倾角稳性的最大复原力臂也比静水中有所增加，稳性消失角有所减小；当侧体纵向位置位　

于舯前（侧体的横向位置较小）时，波浪中的初稳性较静水中有所下降，波浪中大倾角稳性的最大复原力臂　与静水中比较明显下降。　

关　键　词：三体船；随浪航行；完整稳性　

中图分类号：Ｕ６６１．２　２；Ｕ６７４．９５１　文献标识码：Ａ　

０引　言　

高性能船舶是当今国际造船业竞相发展领域。其中高速三体船以其航速高、适航性好、易于大型　化等优点成为重要的高技术、高性能的重要船型。所谓的三体船实质上是一艘瘦长的单体船，它的两　

个侧片体只能看成是附体，其排水量只占总排水量的１０％以下，长度小于船舶总长的三分之一，其主　要作用是提高稳性和耐波性。　

从９Ｏ年代中期开始，三体船型受到国内外广泛重视。英国于２０００年建造了９８．７ｍ长的三体试验　舰“ＲＶ特里顿”号（“海神”号）。该试验舰是按护卫舰的概念以２／３的比例缩小设计建造的，下水后进　行了大量的实船试验【１】。２００５年，美国海军开始了三体濒海战斗舰ＬＣＳ．２的建造计划，首舰已于２０１０　

年６月进行海试。　国内也在９０年代末开始了对高速三体船的性能研究，并且在三体船的阻力方面已经取得了很多重　要的研究成果［２－１。】；在三体船的运动方面也有很多学者做出了贡献　Ｈ】。但是关于三体船稳性的研究文　

献还比较少。　船舶的稳性是船舶安全的核心，而船舶稳性的计算是船舶性能计算的重要组成部分。李培勇等【】　

采用静力学方法对多体船横倾状态下的受力情况进行分析，建立了多体船完整稳性的计算模型，并以　

一多体船方案为例进行完整稳性计算，分析了侧体跨距、排水量等参数对静稳性臂的影响以及静稳性　曲线的特征。马强等【　７］以一多体船方案为例进行破舱稳性计算，分析了多体船侧体参数对多体船破　

舱稳性的影响，比较和分析在相同破损状况下三体船与五体船的破舱稳性。但是前述研究都是在静水　

收稿日期：２０１１－０６・１５；修改稿收稿日期：２０１１－１０－１１　基金项目：创新研究群体科学基金：海洋环境灾害与结构安全防护（５０９２１００１）；国家重点基础研究发展计划项目（９７３）：复杂装备研发　数字化工具中的计算力学和多场耦合若干前沿问题（２０１０ＣＢ８３２７００）高新船舶专项：复合前三体关键技术研究。

　中　国　造　船　学术论文　

中进行的，没有考虑波浪的影响。常规单体船在随浪航行且波峰位于船中时，’会出现稳性严重丧失的　

现象，有可能由于稳性的不足而导致倾覆。此结论对于三体船是否适用还有待进一步研究。考虑到船　舶稳性对于船舶安全的重要性以及波浪对稳性的影响，有必要对三体船在波浪中的稳性进行进一步的　

研究。　本文使用ＭａＸｓｕｒｆ软件㈣建立了三体船的Ｎｌ瓜ＢＳ曲面模型，运用Ｍａｘｓｕｒｆ中的Ｈｙｄｒｏｍａｘ［１９］程序　

计算了三体船在随浪状态下的规则波中的完整稳性。　

１　计算模型　

Ｍａｘｓｕｒｆ软件是由澳大利亚Ｆｏｒｍａｔｉｏｎ　Ｄｅｓｉｇｎ　Ｓｙｓｔｅｍｓ公司为船舶设计和建造者开发的、适用于各　种船舶设计、分析和建造的一套非常完整的计算机辅助船舶设计和建造软件。Ｍａｘｓｕｒｆ是基于ＮＵＲＢＳ　描述船体曲面，进行三维建模。Ｈｙｄｒｏｍａｘ为Ｍａｘｓｕｒｆ生成的各类设计提供快速的图形及交互性的完整　

或破舱稳性计算，不仅节省了时间，而且减少了输入错误【２Ⅲ。　

１．１　Ｍａｘｓｕｒｆ计算三体船稳性准确性的验证　为了检验Ｍａｘｓｕｒｆ对于三体船稳性计算的准确性，在大连理工大学船舶试验水池进行了三体船模的　倾斜试验。三体船模型的横剖面图如图１所示，三体船构型示意图如图２所示。侧体的纵向位置位于　船舯（　０），侧体的横向位置为Ｏ．５５ｍ（ｂ＝０．５５ｍ）。三体船模型倾斜试验如图３所示，试验仪器包括　倾角传感器、ＰＣ数据采集系统、砝码等。　首先通过三体船的自由横摇试验确定其重心高度（０．１９４ｍ），然后将倾角传感器固定在侧体与主体　连接的横梁上，且在船的纵向中心线上。接着，将倾角传感器与ＰＣ数据采集系统连接起来，并且调试　

归零。接着分别在三体船的纵向中心线处加砝码并记录倾角传感器的数值，然后将砝码移至距中心线　６０ｃｍ处记录倾角传感器的数值，将两次数值相减，即为砝码移动６０ｃｍ后船模产生的横倾角。每个试　验重复三次，以减小试验误差。　

计算时首先建立了三体船的ＮＵＲＢＳ曲面模型，计算模型示意图见图４。计算结果与试验结果的对　

比如图５所示。　

　＼　／／／ＩＩ　＼　ｉ０／ｉ／／／／／／／ｌｌ　

ｆ　尊？珊　＼Ｌ＼ｔ　

图１三体船横剖面图　

图３三体船模型倾斜试验　●　ｈ　—－　—＝Ｉ　

６１　ｌ　ｌ　—、　｝　。　ｌ　ＩＪ

图２三体船构型示意图　

图４三体船计算模型　５３卷第２期（总第２００期）　李磊，等：三体船随浪中的完整稳性研究　

０　２　４　６　ｂ　１０　＇２　１４　１８　，（。）　

图５静稳性臂计算值与试验值的比较　

通过计算结果与试验结果的对比发现，Ｍａｘｓｕｒｆ在计算三体船稳性方面具有一定的可靠性，因此可　以应用其计算三体船的稳性。　

１．２计算模型　本文以大连理工大学的三体船型　，ｌＯ，　，　为例进行了计算，三体船型的主尺度要素列于表１，型　

线如图１所示，三体船构型示意图如图２所示。　

计算中侧体位置和重心坐标情况列于表２。　

表１三体船模型主尺度参数　

表２侧体位置和重心坐标　

２规则波中侧体位置和波陡对三体船完整稳性的影响　

波浪中船舶的稳性与静水中的有较大不同，满足静水中稳性规范的船舶在波浪中可能会因为稳性　的损失而不满足。Ｋｅｍｐｆ在２Ｏ世纪３０年代就指出：船舶在随浪和尾斜浪航行时，波峰处于船中时稳　

性会减小。随浪航行时船舶与波峰的遭遇时间变长，此时船速接近波速，船长接近波长，当波峰位于　船中时，复原力臂会在一定的时间段上减小（甚至为负值）［２３１

。此情况会大大影响船舶的安全性，在　中　国　造　船　学术论文　

船舶设计中是不允许出现的。　

本文计算中，在随浪状态下规则波的波形取为正弦波，波长为ｌＯＯｍ，波陡（为波高与波长的比值）　

分别取０．０５、０．０７５、０．１，波峰位于船中处，波船的相对位置如图６所示。　

波形　

图６波船的相对位置　

２．１规则波中侧体位置和波陡对三体船初稳性的影响　

当侧体纵向位置不变时，改变规则波的波陡（其中　＝０表示在静水中）。三体船的初稳性高（ＧＭ）　

随侧体横向位置的变化如图７所示。　

１００ｏ０　

８０ｏｏ　

∈００００　

４∞０　

２０００　

１４　１Ｂ　１８　６，ｍ　ａ＝－２５ｍ　

１００００　

８０００　

６０００　

柏ｏｏ　０　２０００　

Ｏ　

－２０００　１０ｏ００　

８ｏＯＯ　

ｌ　６０００　

４Ｏ００　

２０００　

Ｏ　８　１Ｏ　１２　１４　１６　１８　ｍ　（ｂ）ａ＝Ｏｍ　

ｌ　、　…一　一ｒ　１　１　１　１　ｂ｜ｍ　

（ｃ）ａ＝２５ｍ　图７初稳性高　

通过图７（ａ）和图７（ｂ）可以发现：当侧体纵向位置位于舯后和船舯时，在规则波波形下（见图　６），波陡对初稳性的影响并不大；在相同的侧体横向位置，规则波中的初稳性高比静水中的要大；规　则波中初稳性高随侧体横向位置的变化与静水中初稳性高随侧体横向位置的变化一致，都是随侧体横　向位置的增大而增大。通过图７（ｃ）可以发现：当侧体纵向位置位于舯前时，在规则波波形下（见图　６），波陡对初稳性影响较大；当侧体的横向位置小于主体设计水线宽度的１．５倍时，在相同的侧体横向　

位置下初稳性高随着波陡的增加而下降，当波陡增加过大时会使初稳性高变为负值，这会严重影响船　

舶的安全性；当侧体的横向位置大于主体设计水线宽度的１．

５倍时，规则波中的初稳性高要稍大于在静　５３卷第２期（总第２００期）　李磊，等：三体船随浪中的完整稳性研究　

水中的初稳性高：初稳性高随侧体横向位置的变化总体趋势随着侧体横向位置增大而增大，只是曲线　

变化形式与静水中曲线变化形式有所区别。　２．２规则波中侧体位置和波陡对三体船大倾角稳性的影响　在国际海事组织（ＩＭＯ）制定的多体船稳性衡准［　】中，衡量多体船完整稳性是否满足要求主要是　

检验复原力臂曲线下方的各种面积是否符合要求。因此本文主要通过复原力臂曲线的计算来研究三体　

船的完整稳性。　２．２．１波陡对三体船大倾角稳性的影响　在相同的侧体横向位置和侧体纵向位置下，改变规则波的波陡对三体船大倾角稳性的影响如图８　

所示。　

∞Ｏ　４００　２Ｏ０　Ｏ　ｌ锄　ｏ　－６０ｏ　８ｏＯ　・１００Ｏ　－１２００　

１５ＯＯ　

１０００　

５００　Ｅ　Ｅ　窜０　

．５００　

－１０００　＼　

０　２０　４０　６０　８０　１Ｏ０　（。）　

（ａ）口＝一２５．ｂ＝９　

０　２０　４０　６０　８０　１００　（。）　（ｃ）　．２５．ｂ＝１５　

盟　

、　

０　２Ｏ　４０　６Ｏ　８０　１ｏｏ　（。）　

（ｅ）ａ＝Ｏ．ｂ＝９　１Ｏｏｏ　

０００　

ｌ　０　

。５ｏ０　

，１ＯＯ０　＼圈　

０　２０　４０　６０　８０　１Ｏ０　（。）　

２Ｏｏｏ　

１５Ｏ０　

１０ｏ０　

Ｅ　５ｏＯ　Ｅ　露　ｏ　

‘５ｏ０　

。１０ｏｏ　１５ｏ０　０　２０　４Ｏ　６０　８ｏ　１ｏ０　（。）　（ｄ）萨一２５．ｂ＝ｌ８　

．一　

０　２０　４０　６０　８０　１００　（。）　（ｆ）ａ＝Ｏ．ｂ＝１２　

图８波陡对三体船静稳性臂的影响