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渔船在不规则波中的耐波性研究
作者：M. Tello, S. Ribeiro e Silva, C. Guedes Soares
关键词：耐波性 船舶运动 渔船 操纵性标准
摘要
本文对一系列渔船的耐波性进行了研究，旨在研究验证系列船是否符合耐波性规范，以及在特定海域船舶自身条件对操纵性能的限制。利用该船型的传递函数，在完全发展的海况下获得船舶运动及响应。这些响应由确定的值来进行评估。根据所选的标准，以确定可能导致危险或晕船的船舶操作条件。在研究中，每艘渔船被视为在5级和6级海况下作业，具有不同的弗劳德数和航向角。它们的短期响应是根据加速度、砰击和 甲板上浪与绝对和相对运动等几个方面选取最具相关性的标准来评估。结果表明，横摇和纵摇性能对船舶的耐波性至关重要。并且横稳心高度、初稳性高和参考点的位置对渔船的耐波性也有着重要的影响。
1.介绍
在过去的几年里，人们已经对不同类型船舶在海上作业的性能以及装载进行了一些研究。由Hutchison和Jaganantan（1988），Sariozuml;Narli（2005），Dallinga等人（2008）和Sayli等人（2007）开发的研究是单体船体耐波性评估的一些不同类型例子。Guedes Soares（1995），Fonseca和Guedes Soares（2002），Maimun等人（2006）和Tello等人（2009）对渔船的耐波性能有了更好的研究。然而，人们仍然担心在恶劣的海洋环境中，渔船在海上的表现。因为在恶劣的海况下，仍有太多的由大振幅运动和大加速度有关的工作事故发生。
在英国渔船事故的统计研究中，王（2005）发现大多数事故船舶总长为24m（LOA），主机损坏发生概率最高为65.97%，其次是沉没和漏水分别为15.41%和8.38%。如果是海上运输船（Guedes Soares和Teixeira，2001）或高速船（Anta~o和Guedes Soares，2008）沉没频率明显小于一般渔船，对于后者来说，二者的耐波性与稳性明显不在一个层次。
Ant ao 与 Guedes Soares (2004)在葡萄牙研究海上事故将近20年，得出的结论是，确实需要改进小型船舶的操作性能和安全保障，在研究的事故样例中，小型船占了89%的比重。其他国家显然也有此类问题。为了努力克服这些危险情况，国际机构对长度小于24米的渔船颁布了新的相关法规。然而尽管事故减少了，但事故和危害的总数仍然很高，Pe#39;rez Rojas等人举出了一些最近的例子（2006），指出三个西班牙船舶事故造成人员伤亡和船舶受损的例子。
除了考虑人员死亡船舶事故外，还必须考虑偶发事件导致人员受伤的状况。Ant ao 等(2008)研究了葡萄牙的一系列渔船职业事故并进行原因分析，得出结论，指出其中一个决定性因素是安全性文化淡漠和对风险的感知不够。Bye and Lamvik (2007)在分析挪威的系列船事故时也得出了一个与之类似的结论。然而，这并不是造成事故的唯一因素。Boccadamo和Scamardella（2005年）对意大利一系列船型事故进行了调查，发现事故多发生在捕鱼区（约80%）。气候条件也是提高工伤事故率的重要原因（约60%）。因此，为了改善渔船的耐波性能不仅要通过设计手段，还有提高船员的实际操作能力。
减少海上事故，提升船舶操作性一个很重要的方法是给予船长完整的指令操作系统。当船舶的工况超出安全的界限，变得不可控时，该系统能够建议船长该如何操作，使船舶的运动能够重新回到可控的范围内。目前已有类似的系统由Varela 等. (2008)开发出来。它能计算与船舶的耐波性能并给出建议。
船舶响应的严重程度是多个因素组合产生的结果，包括自身船体参数的组合结果，载荷条件以及它们所处的海况。
因此为了估计船舶在不同海况下的响应，本文提出一种运动传递函数。与Salvesen等人（1970年）提出的标准切片理论相关，以及以短期海域为代表的，适合充分发展海浪的PM海浪谱。此方法与由面元法计算渔船耐波性能的结果比较可在Datta等人的研究结果中发现（在期刊上）。
将特定操作条件标记为危险，或确定某一渔船的性能是否低于阈值，必须提前定义特定的性能标准，然后应将获得的值与极值比对。因此，标准定义非常重要。因为它应该能够准确把握船舶的任务和哪些能力是关键的，是应该加以检查的。
类似的研究也与客船的舒适性有关。其中客船以晕船与否作为限制标准（Beena和Anantha Subramanian，2003年；Fang和Chan，2007年；Peacute;rez arribas和Loacute;pez pin∙eiro，2007年）。对于捕鱼船来说可以接受更严格的标准。Guedes Soares等人（1995）采用的标准在本文稍后将详细介绍。因此，标准与船舶的绝对运动以及相对于海面的相对运动有关。
本研究所采用的方法以前曾被使用过。Guedes Soares等人（1995）研究耐波性能在葡萄牙的海岸研究一批渔船的耐波性能。Fonseca和Guedes Soares（2002）采用了相同的方法来研究船舶敏感性，研究方法适用于不同的海运标准集装箱船和捕鱼船。这篇论文就是用此计算方法计算了一系列葡萄牙、西班牙和秘鲁的渔船。通过相关参数比较不同船型的耐波性响应，将他们与相关的操作性指标进行比对。
2理论
2.1规则波
为了获得刚体运动的传递函数（TF），船舶中特定点的相对运动和加速度，即是对谐波的线性响应。势流，水动力参数，谐波激励力是基于由Salvesen等人提出的切片法（1970年）得到的。为了应用这一理论，船舶必须是细长体，波浪为微幅波，没有剧烈的振荡运动以此保证船舶有较小的弗劳德数。在此情况下，对船舶的分析将接近真实情况，但对于具有庞大丰满的船体形状和带附体的船舶来说并非绝对正确。
当考虑粘性阻尼效应时，横摇运动传递函数是最敏感的。因此，如Ribeiro e Silva等人所示，对比硬壳船体和装有舭龙骨的船舶，来自裸船体的横摇频响函数值的变化更大。因此，为了分析这组渔船，必须考虑粘性效应的影响。在本研究中，（Ikeda等，1978）公式已被用于估计粘性横摇阻尼，这导致所有船舶的平均阻尼系数约为0.12。然而，应该强调的是，该方法并不是只适合于渔船。无论如何，这个结果与这种类型船舶的公布实验阻尼系数在零速度下进行了比较，并且由于公布的值在0.12和0.14之间变化，因此一致性很好。
此外，在拖运或拖曳作业期间渔具部件与船舶之间的相互作用或水上甲板效应都被忽略，因此渔船被假定为自由漂浮的船体。
因此，通过求解一组表示平衡的耦合线性差分方程来计算刚体振荡运动
这些激励力Fk和船舶运动可以方便地在右手坐标系上表示，X =（x，y，z），坐标系固定于船舶的平均位置，原点位于不受扰动的自由平面上，如图一所示。在x、y和z方向上的平移运动分别为，纵荡、横荡和垂荡，而旋转运动根据坐标轴为横摇X4，纵摇X5和首摇X6，同时下标K，J表示由于j运动产生k方向上的力。船舶的谐波第j响应，将成比例于激励力的幅度，并与之有相同的频率，但是只是有相位的差别。按下式给出：
如Fig1 所示，船舶以速度U航行时，海浪以角与之相遇，自然频率由此转换为遭遇频率，由下式子给出：
所遭遇的自由表面由下式描述：
2.2运动及其产生的响应
因为耐波性的标准由如下几个方面决定：船的绝对运动，船体和波浪之间的相对运动以及船上测得的加速度。对于小幅度的运动，船上任意一点的位移向量可由简单的运动方程获得（5），在此情况下，谐波函数产生的六自由度运动可分为两组=（）和=（）,各自对应于转动和位移向量，因此，r坐标轴下任意一点的绝对位移向量由（6）式给出。
2.2.1垂向位移及加速度
船员易受到振荡力的影响，为了对点P的垂向位移进行描述，可以采用下述式子：
为了简化这项研究，等式三的运动现在被限制在船的中心线上。因此，垂向位移的振幅和相位可由以下式子描述：
最后，因为Zp(t,we)是一个简谐函数，垂直方向上的加速度可以描述为：
2.2.2横向位移及加速度
和垂向加速度相似，横向加速度可以用方程（6）来描述。然后再P上的横向运动可以用下式描述：
在这种情况下，求解的步骤与垂向的情况相同，然而，正如Journe#39;e和Massie（2001）所描述的那样，横摇惯性力也会对横摇加速度起作用，这项因素应该被加到等式中。由此，完整的，由（船员，设备，货物，或者船舶结构部分）“感受到”的横向加速度由下式给出：
2.2.3 相对垂向位移及速度
为了估计船舶的相对移位或速度，必须首先获得绝对运动和波幅，即在点P得到的参数（t，）。.因此，相对运动可以从这里面获取。
同样可以写为：
因此这些运动是简谐的，所以在任一点P的相对垂直速度可以被下式描述：
2.3结果分析（部分）
这篇文章一系列的十一条渔船，每条船的船体形状和船型参数不同。除FV6和FV7外Neves等人（2002年），所研究的船只选自葡萄牙、西班牙和秘鲁。相关的与耐波性特征有关的标准见表1。十一条船的型线在图2中给出。
一般来说，当船舶在航道中运动加剧时，船舶的效率降低。从耐波性的角度来看，船舶的操纵的成功概率可以通过评估船舶的子系统的作业情况来评估。子系统被定义为任何对船舶成功操作起作用的元素。因此船体，主机，船员，以及传感器等均可被看作为船舶的子系统。为了评估船体的设计是否成功，应建立标准，并对其进行分析。此外，为了研究这些准则可以划分为运动响应准则。并推导出响应准则。运动响应准则为根据船舶运动制定的规则。这些措施包括:均方根横摇、纵摇和首摇角，均方根垂直和横向位移，均方根垂直速度（ITTC，2005年）。另一方面，导出的响应标准是基于线性频域计算的直接响应。一些指标包括:螺旋桨出水、砰击指数。弯曲指数和湿度指数（ITTC，2005年）。
为了评估渔船的性能，所选择的标准是根据其规定值来评估的。因此，这些值在研究中发挥了重要作用，因为它们将船只的情况划定为两种情况:可操作情况或不可操作情况。对于渔船而言，可直接指定使用的参数并不多。除Sarioz，文献中提供的规定值以及Narli（2005年）、Fonseca和Guedes Soares（2002年）和Odabasi等人（1991年）在文献中提出的值外。正如Fonseca和Guedes Soares（2002年）所使用的那样，在桥梁以及在工作甲板这两种情况下，垂向加速度标准值均为0.2 g在论文中也有使用。因此，考虑到上述标准，可依次根据相应的标准判断船舶在海上的情况，是否超过规定的值。
本文所纳入考虑的响应有:甲板上浪（GW）、砰击（SLAM.）、螺旋桨出水（PE）和垂向船桥处的加速度（VAB），桥楼处的横向加速度、工作甲板上的垂直加速度（VAWD）和工作甲板上的横向加速度（LAWD）。表2显示了特定规范下的选定点。使用图一所示的参考坐标这些描述位置。
渔船耐波性的评定长期方案载于Tello等人（2009年）的文献中，其中一些船舶的可操作性指标较低，尽管应用了大量的成套要求，但仍然是现实的。符合这些标准的实例在图3和图4中给出，属于FV2系列，浪向角150°，相对的，傅汝德数范围从0到0.3。如图3所示，操纵性最低点常在有效波高处，有效波高从2.5m至6m。特征周期从2s至8.5s，特别的，船舶发生甲板上浪常是限制船舶操纵性的标准。
此外，比较图3和图4，则可以推断船舶的可操作性进一步降低，因为超过了甲板上浪，螺旋桨出水，在桥楼的砰击和垂直加速度的规定数值，以及当她提高速度时，工作甲板上的一些应满足的指标。观察工作甲板和桥楼处的横摇和横向加速度也同样重要。当船的速度增加时，船舶的性能提高。然而，尽管如此，这艘船仍在冒着一定的风险航行。由于产生比较大的响应，以及超过了垂向加速度的标准。在此情况下，船舶的表现会给予船舶的性能，船舶的装载，船舶的安全以及船上的船员的操纵安全以重要的影响
表2为导数响应分析的点的位置。
结论
本文提出了一种估计船舶响应的方法，能预测与耐波性有关的各种波浪参数。该程序要求计算不同速度和浪向的传递函数响应。要求确定由响应传递函数与 根据某海域的海洋特征确定的海浪谱，结合生成运动谱公式。因此，制定合适的标准和运用概率方法描述海洋特征，由此可计算某工况下的船舶耐波性能，然后判断船舶在此工况下是否具备可操纵性。在给定的设计条件下，本文对目标的短期响应进行了研究。确定耐波性标准和船舶状况，限制渔船在:海洋状况5和6海况下的可操作性。海况5和6是关键的，并且最初是因为这些都对应着最低的可操作性指标。也可以从图3至图4中推断。
通过分析可以得出:横摇和纵摇标准是最经常被超越的标准。也有可能是因为它们对船型的依赖程度较高，在这种情况下，U形横截面比V形有更好的横摇运动性能。然而，在纵摇情况下，情况正好相反:因此最佳船型选择为在这两种类型
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