关于船舶参数横摇失效模式的薄弱性衡准草案的解释外文翻译资料

 2022-07-28 14:40:49

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关于船舶参数横摇失效模式的薄弱性衡准草案的解释

  1. 参数横摇的物理背景
    1. 参数横摇的产生

1.1.1参数横摇是一种由船舶在波浪中的横稳性周期性变化引起的横摇运动的放大。参数横摇主要在迎浪、随浪，首尾斜浪中，船舶的遭遇频率大约等于船舶自由横摇周期的两倍，且横摇阻尼较小不足以抵消因参数响应而增加的能量。

1.1.2图一解释了参数横摇的发生过程。第一行表示船舶与波浪的相对位置，分别表示船舶重心在波谷位置，波峰位置，波谷位置；第二行表示波浪在中纵剖面的投影面。虚线表示静水面在船中纵剖剖面投影，实线表示波浪在船中纵剖剖面投影；第三行表示船波交界面的水线面投影，红色实线表示静水中的水线面投影，蓝色实线表示船波交界面的水线面投影；第四行表示复原力臂曲线图，虚线表示静水中复原力臂变化图，实线表示波浪中复原力臂图；第五行表示船舶在波浪中航行时的横摇过程。横摇周期时波浪周期的两倍，见图2。

图1 参数横摇发生过程

图2 参数横摇响应时间历程

1.2参数横摇的频率特征

参数横摇是一种共振现象，类似于类似于横浪中的横摇共振（见图3a），参数横摇存在频率界限见图3b）。这两种现象之间的主要区别是，参数辊的频率范围取决于稳性高变化的幅度，而横摇共振的频率范围取决于波高（见图3c）。此外，如果横波远离共振频率，船舶的横摇角将会很小。若波浪频率在范围之外，则参数横摇不发生（振幅等于零）。

图3 （a）横浪中的横摇幅值，（b）参数横摇幅值，（c）参数横摇响应的频率范围

1.3横摇阻尼的影响

1.3.1当船舶在静水中受到干扰后，由于横摇阻尼，横摇的振幅持续减小，见图4。正在横摇的船产生波浪和涡流，并产生粘性阻力。所有这些过程都会产生横摇阻尼。在参数横摇的共振发展中，横摇阻尼起到关键作用。如果由阻尼引起的每个周期“损失的”能量大于在纵浪中由稳性变化“获得的”能量，则横摇角不会增加，参数共振不会发生。一旦每个周期“获得的”能量大于“损失的”能量，参数横摇的幅值开始增加。

1.3.2在参数横摇共振中存在一个横摇阻尼临界值。如果横摇阻尼力矩高于临界值，则参数横摇共振是不可能发生。如果横摇阻尼力矩低于临界值，那么参数横摇共振可以发生。当船长近似等于波长，波浪周期等于船舶横摇周期的两倍时，横摇角会显著增加。另一个必须满足的条件是，由于横摇阻尼损失的能量不大于因参数横摇共振增加的能量，即横摇阻尼小于临界阻尼值。

图4 静水中由于横摇阻尼横摇角随时间的变化过程

1.4船速与浪向的影响

1.4.1船舶运动时，波浪的遭遇频率改变。当船舶航行在随浪或尾斜浪时，浪向和航向是相似的（图5a）。其结果是，船舶相对速度更小，在同一周期内的船舶遇到更少的波（相比于零速的情况）。在随浪或尾斜浪时，遭遇周期增加（遭遇频率降低）。

1.4.2当船舶航行在迎浪或首斜浪时，浪向和航向是相反的（图5b）。其结果是，船舶相对速度更大，在同一周期内的船舶遇到更多的波（相比于零速的情况）。在迎浪或首斜浪时，遭遇周期减少（遭遇频率增加）。

1.4.3参数横摇的开始取决于船舶遭遇频率是否在参数横摇的频率范围之内（见图3c）。因此，参数横摇的发展取决于航速和航向。

图5 船速和浪向对参数横摇的影响

  1. 随浪和尾斜浪：遭遇频率大于波浪频率
  2. 迎浪和首斜浪：遭遇频率小于波浪频率

2关于参数横摇薄弱性第一层衡准计算的补充信息

2.1对于舭龙骨面积的计算要用part B of the Code的2.11.2.1段，减摇鳍如果是不可伸缩的，且算入总舭龙骨面积的一部分，那么可以被视为一种舭龙骨。[另一方面，中心的尾鳍不应包括在内[除非中横剖面系数小于0.9 ]。这是因为现有的模型实验表明，由于中心尾鳍的增加的横摇。这可能是因为底部的尾鳍产生的压力作为负阻尼。]

2.2 part B of the Code中2.11.2.1段规定的“尖舭”意味着舱底半径小于船舶宽度的1%和代表部分舱底线之间的角度小于120°，如图6所示。

2.3 如果航行水域面积是有限的，那么part B of the Code中2.11.2.1段的Sw值是可以纠正的。在这种情况下，应提供一个指定的水域的波浪散布图，其数量应IACS Recommendation NO.34 中的北大西洋海浪谱。计算过程见附录1。

2.4 对于part B of the Code中2.11.2.3段的计算，正弦波应在无水动力干扰的条件下使用。波浪产生的水压力包括了波粒子速度的影响，假设水深比波长大。

图6尖舭定义

3关于参数横摇薄弱性第二层衡准计算的补充信息

3.1对于part B of the Code中2.11.3.2.1段的计算，正弦波应在无水动力干扰的条件下使用。波浪产生的水压力包括了波粒子速度的影响，假设水深比波长大。

3.2如果航行水域面积是有限的，part B of the Code中的表2.11.3.2.3是可以纠正的。在这种情况下，应提供一个指定的水域的波浪散布图，其数量应IACS Recommendation NO.34 中的北大西洋海浪谱。计算过程见附录1。

3.3对于part B of the Code中2.11.3.4.1段的横摇角的稳态解析解 可以通过附录三中的指导文件利用时域中的数值模拟计算。作为替代，附录五中的平均方法可以被使用。

3.4附录三和附录五中使用的横摇阻尼系数应该采用Msc.1/Circ.1200给的程序步骤或委员会提供的替代试验步骤，使用缩尺模型试验得到。在没有横摇衰减模型试验数据的情况下，在3.3中的横摇阻尼系数可以使用简化的可以使用简化的池田方法或者在条件允许的前提下，使用特定船舶的实船数据（舭龙骨几何效应包括在内）。用简化的池田方法计算升力阻尼时，速度效应应该被考虑在内。简化的池田方程在附录四中。[另外，基于粘性流体动力学方程的求解，数值模拟可用于横摇阻尼的估计。在这种情况下，模拟验证应该在选定的负载条件下执行，以满足委员会的要求。]

3.5 特定船舶的实船数据（舭龙骨几何效应包括）可以经管理委员会批准使用。在使用被动或主动横摇阻尼装置，这些设备的影响可以被考虑入管理委员会的要求中。

3.6如果航行水域面积时限制的，那么part B of the Code中表2.11.3.4.2可以被指定的水域的波浪散布图替代，其数量应IACS Recommendation NO.34 中的北大西洋海浪谱。

3.7为了确定part B of the Code中2.11.3.4.2段每一个Hi所对应的最大横摇角，有必要得到h和横摇幅值的关系。如果横摇角在特定波陡hp下存在峰值，那么所有波陡大于hp的条件下，横摇角都等于这个峰值。

3.8 part B of the Code中2.11.3.4.2中的波高计算方法如下：

：等效有义波高；

：北大西洋海浪谱中的有义波高；

：北大西洋海浪谱中的跨零周期；

草案规定，如果gt;0.1L,则取0.1L。

3.9 part B of the Code中2.11.3.2.2中和本文3.3中的静水中自由横摇周期计算方法如下：

其中：

：船舶型宽

：船舶设计吃水

：船舶水线长

：船舶计及自由液面的静水中的初稳性高。

对集装箱船，自由横摇周期可使用下面的方法可以用来替代上式：

其中：

:船舶质量/kg;

：船舶重心到去除甲板集装箱后船舶重心的距离/m;

:甲板上每个集装箱的重量/kg;

和集装箱重心在垂向和纵向的距离/m;

和集装箱的宽和高/m；

船舶重心垂向高度/m；

：去除甲板集装箱后船舶重量/kg;

对于所有船舶，的计算方法如下：

(3.16)

其中：

：上甲板面积系数

：上甲板面积

：上甲板长度

、、、、分别为船舶的方形系数，船宽，吃水，型深，船长

：有效型深

：上层建筑和甲板室侧面积

4.第一二层次衡准的关系

薄弱性第一层衡准和第二层衡准的First check是第二层衡准Second check的简化过程。第二层衡准Second check中使用的附录5中的等式（E.1）是确定参数横摇幅值的方程，其中横摇频率等于波浪遭遇频率的一半，并且是基于非线性复原力臂和非线性横摇阻尼，考虑初稳性高变化的非耦合横摇方程。如果横摇阻尼和复原力臂是线性的，那么下面的近似关系可以得到：

其中，下标E表示等效线性下的值。另外，若假设线性近似下的最危险的情况，那么下面关系可以得到：

另外，如果我们假定波浪下船舶初稳性高变化的平均值很小，那么下面的近似可以得到：

当我们将等式（16-18）代入附录5中等式（E.1），那么下列方程可以得到：

因此，参数横摇的发生的条件，与等效线性化的横摇幅值的关系如下：

等式的右边表示无因次化的等效横摇阻尼系数乘以4。在这些薄弱性衡准中，经验公式等效横摇阻尼的经验公式使用的是舭龙骨面积和中横剖面系数，其采用的是Ikeda简化计算

估计方法。此结果用于第一层衡准和第二层衡准的First check部分。因此，这些要求都是第二层衡准Second check的简化。

4.2第一层衡准部分与第二层衡准的First check部分的区别如下。第二层衡准的First check部分使用的是16种不同的特殊波浪来计算初稳性高的变化，而第一层衡准使用的波浪是最危险的波浪条件。比如波长与船长比等于1。因此第一层衡准被认为比第二层衡准的First check部分更保守。

4.3第一层衡准部分与第二层衡准的First check部分都评估了船舶发生参数横摇的危险性和发生条件，而第二层衡准Second check部分则评估了发生参数横摇概率的大小。这意味着，如果参数横摇在小幅值情况下发生，第二层衡准的second check可能会得出船舶不容易发生参数横摇稳性事故。因此，第二层衡准Second check原则上不太保守。

4.4第一层和第二层衡准的标准是根据大量集装箱船大角度侧倾事故报告来确定的。

附录1

确定波浪条件的方法

本节按照草案的规定，介绍船舶在参数横摇第一层衡准中波陡值的计算方法以及第二层衡准C1值中所使用的规则波波浪参数的计算方法。

对于海浪谱中的每一个跨零周期TZ,存在对应的参考有义波高,参考有义波高定义为在平均海浪谱周期下的条件有义波高：

其中，表示参考有义波高，表示在跨零周期，有义波高的海况出现的概率，是通过北大西洋海浪谱得到的，表示第j个跨零周期为的有义波高。表示海浪谱所有跨零周期为的海况的概率之和，也就是参数横摇第二层衡准C1值计算过程中，所选取第i种波浪的权重。和都表示平均谱周期。

对于参数横摇，16种规则波的波浪参数计算方法如下：

第一层薄弱性衡准的波陡值Sw计算方法如下：

北大西洋海浪谱如下：

参数横摇薄弱性第二层衡准的波浪参数：

序号

权重

Tz

Tmean

H1/3

lambda;i

Hi

Sw

1/Sw

1

0.000013

3.5

3.8024

0.5

22.5738

0.35

0.015505

64.49658

2

0.001654

4.5

4.8888

0.707

37.31588

0.4949

0.013262

75.40085

3

0.020912

5.5

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