船舶在波浪中航行时的安全操纵

船舶在波浪中航行时的安全操纵



关于船舶在波浪中航行的纯稳性丧失，国内外学者进行了大量的研究，文献[1]、[2]采用波浪中船舶瞬时湿表面的计算方法，得出了稳性变化与波浪要素之间的相互关系；文献[3]、[4]通过船舶操纵运动方程，运用流体动力学理论，将波浪运动的影响引人操纵方程，并对船舶稳性的影响进行了模拟计算。对于船舶驾驶员来说，仅从静态上了解衡量船舶稳性是否满足稳性规范的要求是不够的，更重要的是要从动力学的角度出发，了解和掌握在恶劣的天气条件下，船舶在波浪中的稳性变化规律，保证船舶以适应于稳性要求的姿态正确航行。

1 稳性变化的原因分析

根据文献[5]，船舶在波浪中航行时，由于船体浸水体积的变化，使得正浮时的浮心B移至B*。根据静力学理论，对于横倾θ度的船舶，波浪中的复原力臂GZ*值与静水中的复原力臂GZ值之间的差值可由式（1）确定。
ΔGZ=（B*R-BR）-BB*Sinθ（1）
由式（1）可以看出，船舶在波浪中的稳性变化是由于形状稳性和浮心位置的变化所引起的。
为了具体地表现这种内在的关系，把GZ改写为表示动稳性的稳性高度GM，有：
GM=I/V-BG（2）

式（2）中，I为水线面的惯性矩，V为船舶水下排水体积，BG为船舶浮心至船舶重心的垂直距离。由于波浪的影响，船舶的排水体积变为V+ΔV，水线面的惯性矩变为I+ΔI，浮心由B移至B*，则GM的变化GM+ΔGM可近似地表示为：
GM+ΔGM=I/V（1+ΔI/I-ΔV/V）-B*G（3）
利用BM=I/V的关系，GM的变化量ΔGM可按下式求得：
ΔGM=BM（ΔI/I-ΔV/V）-BB* （4）

通过式（4）可以看出，导致船舶在波浪中的稳性变化是由于船舶的排水体积和水线面惯性矩的变化以及浮心位置的移动而引起的。第一项为舷侧外漂和船体浸水体积变化引起的BM的变化量表示由注心上下移动引起的变化量。
2 稳性变化与海浪之间的关系

防止船舶因稳性丧失而导致倾覆，是船舶驾驶员最为关心的问题。IMO亦已通过《在随浪和尾随浪情况下避免危险局面的指南》，其目的在于给船长在随浪和尾随浪航行时提供避免危险局面的建议。对于驾驶员来说，了解船舶姿态与波浪之间相互位置关系而导致船舶稳性的变化，从而采取和选择安全的操船方案有着重要
的意义。
2.1 波长与船长比（λ/L）对稳性的影响

稳性变化主要是浮在波面上的船体的水线面惯性矩I的增减引起的，并与波浪的大小和船舶的尺度有关。图l给出了在波高H固定不变，波长与船长比（λ/L）变化、以及波浪位于船舶各种相对位置时的GZ曲线。

从图1可以看出，当船中位于波谷（ξG/λ=0）时，由于船体前后部的水线面惯性矩与静水中相比，其数值是增加的，因而船舶的稳性也是增加的；当船中位于波峰（ξG/λ=0.5）时，由于水线面的惯性矩减少了，故船舶的稳性也随之减小。另外，从图1还可以看出，这种由船体前后部水线面惯性矩的增减引起的稳性变化，当波长等于船长时，其稳性变化量最大，随着波长的增加，其稳性变化量有减少的趋向。


2.2 波高与波长比（H/λ）对稳性的影响

图2是在波长与船长比（λ/L=1）固定不变时，让波高与波长比（H/λ）分别为1/80、1/40和1/20，探讨波高对稳性变化所产生的影响。从图2可以看出，由于水线面的惯性矩与波高的平方成正比，因而，当船中位于波谷时，波高越高，稳性的增加就越大；当船中位于波峰时，波高越高，稳性的减少就越大。对于船中位于波浪的上升波面或下降波面时，船舶的稳性与静水中的稳性大体一致，没有太大的变化。
2.3 波与船的波舷角（Ψ）对稳性的影响

当船舶与波浪形成波舷角时，造成了左右舷船侧波的非对称性，使得垂直于水面的浮力和平行于水面的横向力均作用于船体的浸水部分，故而对船舶的稳性影响较大。图3给出了λ/L=1、H/λ=l/20，波舷角φ分别为0˚、30˚、60˚、90˚时，船舶稳性的变化规律。




从图3可以看到，波舷角φ对船舶稳性的影响是很大的，其总体趋势是，波舷角φ越大，船舶的复原力矩越大，稳性也越好。同时要注意到，当船中位于波谷时，随着波舷角φ的增加，船舶稳性有下降的趋向；当船中位于波峰时，随着波舷角功的增加，船舶稳性有增加的趋向。但相比与静水中，随着波舷角的增加，稳性都有明显改善的趋向。
2.4 波浪对动稳性的影响

在研究船舶大倾角稳性时，静稳性曲线下所包含的面积（即动稳性）也是要考察的重点内容，它表明船舶在静水中航行时抵抗外界最小倾覆力矩的能力。当船舶在波浪中航行时，波长与船长比（λ/L）、波高与波长比（H/λ）、波与船的波舷角（φ）、以及波浪与船舶的相对位置（ξG/λ）等对动稳性
都有较大的影响。图4是将波长与船长比（λ/L）作为参数，并设波与船的波舷角（φ）分别为0˚、30˚、60˚时，波浪与船舶的相对位置（ξG/λ）对动稳性的影响。由船舶在各个波面的动稳性与静水中的动稳性之比（E（动）/E（静）），可以得出船舶在各个波面上的动稳性是增加的，还是减少的，其增加的幅度是大还是小，如果E（动）/E（静）数值很小，则表明船舶在此区

域内容易倾覆。

从图4可以看出，若波长与船长比（λ/L）大，且波与船的波舷角（φ）亦大，则船舶在倾覆前的动稳性E（动）亦大；当λ/L=1时，波浪与船舶的相对位置（ξG/λ）在0.4至0.6这一范围内，E（动）/E（静）数值变得很小，故处于这一范围内的船舶容易倾覆。

3 船舶在波浪中航行时操纵方案的选择
从以上分析可得出如下结论。
1.
当波长等于船长时，船舶稳性的变化量最大，且船中位于波谷时，稳、性变好，船中位于波峰时，稳性变差；随着波长的增加，其稳性变化量有变小的趋势。
2. 波高越高，对于船中位于波谷时，稳性大幅度增加；相反，当船中位于波峰时，稳性显著减少。
3. 波舷角对于船舶的稳性影响较大，对于波长等于船长时，波舷角越大，船舶的复原力矩就越大，稳性也越好。
4. 波与船的相对位置在0.4~0.6的范围内，船舶的动稳性变得最小，故在这一范围内船舶最容易发生倾覆。
为保证船舶在波浪中安全航行，要慎重地选择操纵方案。
1.
尽可能地避免波峰处于船中位附近当船中位处于波峰时，所有因素对稳性的影响都是不利的，不仅纯稳性丧失较多，且动稳性同时也变差，使得船舶抵抗外力矩的能力明显减弱，容易造成船舶的倾覆。
2. 合理地选择航向
选择适宜的航向，就是避免船舶进入危险区域。

改变航向（波舷角），一方面可以改变波浪的遭遇周期，避免谐振运动；另一方面，波舷角的增大，船舶稳性有变好的趋向。理论上讲，船舶正横受浪，其稳性的保持处于最佳状态。
3. 谨慎用舵

船舶用舵，相当于施加外力矩，会造成船舶先外倾后内倾的现象，因此要竭力避免舵力矩与波浪力矩的迭加，使船舶遭受更大的外力矩的作用。如果确需用舵，一方面要选择海面相对平静的时段；另一方面要观察船舶的横倾状态，选择在船舶向另一舷回摇的时段，这样可使舵力矩与波浪力矩相互
抵消一部分，保证船舶具有足够的抵抗能力。

另外，船舶在出航时保证具有足够的稳性，在航行过程中合理地使用油水，保证货物绑扎牢固，保持合理的航速等，对船舶的航行安全都有非常重要的影响。
4 结语

船舶在波浪中的航行安全一直是航运界最为关心的问题，它涉及的面也是非常广泛的。本文仅从波浪中航行稳性变化的一个方面进行了讨论，并就操纵方案的选择提出建议。随着科学技术的发展，人们对波浪中的航行安全将会有更多的研究。