船舶破艙時(shí)域計(jì)算模擬分析

船舶破艙時(shí)域計(jì)算模擬研究摘要船舶在海上一旦破損，會(huì)給船上人員及船舶安全造成嚴(yán)重威脅；若船上液貨或燃料油等發(fā)生泄露，還會(huì)對(duì)海洋環(huán)境造成極大破壞。如果船舶發(fā)生破損時(shí)伴隨有橫搖等運(yùn)動(dòng)，則可能引起更加嚴(yán)重的后果。以往的船舶破艙研究都是討論進(jìn)水完成后的浮態(tài)等情況，而對(duì)于船舶破損時(shí)域過程的研究則很少提及。論文將船舶破損時(shí)域過程作為研究對(duì)象，以擬靜態(tài)法為處理手段，通過在時(shí)域內(nèi)求解破損船舶的浮態(tài)平衡方程得到了船舶在破損時(shí)域過程中的浮態(tài)及液體流動(dòng)情況；針對(duì)船舶破損和橫搖同時(shí)發(fā)生的情況，論文以線性橫搖理論為基礎(chǔ)，將破損船舶線性橫搖方程與浮態(tài)平衡方程相結(jié)合，對(duì)破損船舶的橫搖運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了分析與計(jì)算，得到了橫搖時(shí)域內(nèi)船舶的運(yùn)動(dòng)情況以及艙室內(nèi)液體的流動(dòng)情況。在處理破口處液體流動(dòng)情況時(shí)，論文根據(jù)液體流動(dòng)基本原理創(chuàng)造性的提出了一種處理艙室內(nèi)外互不相溶液體交換的方法，解決了以往計(jì)算僅考慮進(jìn)水或艙內(nèi)液體外泄而不考慮兩者之間交換的問題，可以為工程實(shí)際應(yīng)用提供幫助。為了探究液體粘度以及破口屬性對(duì)船舶破艙運(yùn)動(dòng)的影響，論文以一艘5000DWT船為例，針對(duì)不同液體粘度、破口大小和破口高度的幾種工況進(jìn)行了對(duì)比計(jì)算分析，結(jié)果表明：粘度和破口的屬性對(duì)破損船舶最終浮態(tài)以及時(shí)域過程都會(huì)有所影響。論文為船舶破損時(shí)域計(jì)算提出了一種新的計(jì)算方法，在實(shí)際工程應(yīng)用中可以為破損船舶的救援以及防污染工作提供幫助，也為以后破艙研究提出了一種新思路。關(guān)鍵詞：破艙；時(shí)域計(jì)算；液體交換；橫搖STUDYONTHEDAMAGEDSHIP

COMPUTATIONANDSIMULATION

INTIMEDOMAINABSTRACTOncetheshipdamagedatsea,itwillposeaseriousthreattocrewandshipsafety.Iftheliquidcargoorfueloilleak,itwillcausegreatdamagetothemarineenvironment.Ifdamageoccursaccompaniedbyroll,itMayleadtomoreseriousconsequences.PreviousstudiesdiscussedDamageshipfloatingstateafterflood,butrarelyinvolvedamagedshipintime-domain.Thispapertakesthedamagedshipintime-domainasresearchobject,quasi-staticasmethod,bymeansofsolvingthefloatbalanceequationofdamagedshipintimedomaincomputesthechangeoffloatconditionandfluidexchangeofdamagedshipintime-domain.Asforthedamageoccursaccompaniedbyroll,thepapertakesthelinearrolltheoryasbasis,combinedtherollequationandfloatbalanceequation,computesandanalysistherollmotionofdamagedshipintime-domain.Whencalculatetheliquidflowindamageshole,Thepaperproposesanewmethodofcalculatingtheexchangeofoil-waterwithdifferentdensitiesandimmisciblebasedonthebasicprinciplesofliquidflow,solvesthepreviouscalculationsonlyconsiderwaterinfloworoiloutflowwithouttakingintoaccounttheexchangebetweenthem,andthismethodcouldprovidehelpinengineering.Inordertoresearchtheinfluenceoffluidviscosityandthesizeofdamagedholefordamagedshipintime-domain,thepapertakesa5000DWTshipasanexample,calculatesandcomparesseveralcasewithdifferentliquidviscosityandholeproperty.Theresultsshowedtheliquidviscosityandholepropertybothhaveimpactondamagedshipintime-domain.Thispaperproposesanewmethodtoresearchthedamagedshipintimedomain,andthismethodcouldprovidehelpforrescueofdamagedshipandpollutionpreventioninpracticalapplication,andalsoprovidesanewwayforfutureresearchofdamagedship.Keywords:Damagedship;Time-domainComputation;Fluid-exchange;Rollingin目錄TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"摘要 IABSTRACT II\o"CurrentDocument"1緒論 1概述 1\o"CurrentDocument"船舶破艙研究背景及意義 2船舶破艙研究背景 2船舶破艙研究意義 3\o"CurrentDocument"船舶破艙研究現(xiàn)狀 4國(guó)內(nèi)外船舶破艙研究現(xiàn)狀 4破艙進(jìn)水經(jīng)典數(shù)學(xué)模型 6\o"CurrentDocument"論文主要內(nèi)容 7\o"CurrentDocument"本章小結(jié) 9\o"CurrentDocument"船舶破艙浮性及穩(wěn)性計(jì)算 10概述 10\o"CurrentDocument"船舶破艙計(jì)算基本方法 13\o"CurrentDocument"計(jì)算坐標(biāo)系及浮態(tài)參數(shù) 15計(jì)算坐標(biāo)系 15浮態(tài)參數(shù)的選取 15\o"CurrentDocument"船舶破艙浮態(tài)計(jì)算 16破損船舶浮態(tài)平衡方程 17浮態(tài)平衡方程的求解 18\o"CurrentDocument"船舶破艙,性計(jì)算 192.6.3自由液面對(duì)穩(wěn)性的影響 23\o"CurrentDocument"傾斜水線下船體和淹水艙要素 26基于數(shù)字型值表的船體及淹水艙定義 26船體和淹水艙要素的求解 28\o"CurrentDocument"本章小結(jié) 30\o"CurrentDocument"破口處液體流動(dòng)研究 31概述 313.2.1瞬時(shí)進(jìn)水過程 323.2.3空氣壓力的影響 32自由出流和淹沒出流 33孑L□出 33大孔出流 34\o"CurrentDocument"大破口內(nèi)外液體交換 36計(jì)算基本假定 36艙室內(nèi)外液體交換 37船體橫傾角對(duì)破口處液體流動(dòng)的影響 39\o"CurrentDocument"大破口內(nèi)外液面分析 40艙室內(nèi)外有相同液體 40艙室內(nèi)外有不同液體 42\o"CurrentDocument"液體粘度對(duì)流動(dòng)的影響 45\o"CurrentDocument"本章小結(jié) 47\o"CurrentDocument"4不考慮橫搖的船舶破艙時(shí)域計(jì)算 48概述 48\o"CurrentDocument"破艙時(shí)域計(jì)算流程 49\o"CurrentDocument"計(jì)算實(shí)例 50例船主尺度及破艙情況 50計(jì)算工況 51十 52結(jié)論 54\o"CurrentDocument"本章小結(jié) 54\o"CurrentDocument"5考慮橫搖的船舶破艙時(shí)域計(jì)算 55概述 55\o"CurrentDocument"船舶橫搖運(yùn)動(dòng)理論 55\o"CurrentDocument"破損船舶橫搖受力分析 56慣性力矩 58阻尼力矩 58進(jìn)水傾斜力矩 59波浪擾動(dòng)力矩 59\o"CurrentDocument"破損船舶橫搖運(yùn)動(dòng)方程 60靜水中的線性橫搖運(yùn)動(dòng) 61波浪上的線性橫搖運(yùn)動(dòng) 61\o"CurrentDocument"破損船舶橫搖運(yùn)動(dòng)參數(shù)計(jì)算 62橫搖慣性矩 62橫搖固有周期 63\o"CurrentDocument"破損船舶橫搖計(jì)算模型 65破損船舶橫搖過程分析 65破損船舶橫搖基本假定 66破損船舶橫搖計(jì)算流程 66\o"CurrentDocument"計(jì)算實(shí)例 68計(jì)算工況 68計(jì)算結(jié)果及分析 69結(jié)論 71\o"CurrentDocument"本章小結(jié) 72\o"CurrentDocument"6液體粘度及破口屬性對(duì)破艙時(shí)域計(jì)算的影響研究 73概述 73\o"CurrentDocument"液體粘度對(duì)船舶破艙時(shí)域計(jì)算的影響 73計(jì)算工況 73計(jì)算,果及分析 74\o"CurrentDocument"破口大小和高度對(duì)無橫搖船舶破艙的影響 76\o"CurrentDocument"破口大小對(duì)破損船舶橫搖的影響 76計(jì)算工況及破損情況 77空艙進(jìn)水 77內(nèi)外液體交換 80本節(jié)結(jié)論 83\o"CurrentDocument"破口高度對(duì)破損船舶橫搖的影響 83計(jì)算工況及破損情況 83內(nèi)外液體交換 86本節(jié)結(jié)論 88\o"CurrentDocument"本章小結(jié) 88\o"CurrentDocument"7總結(jié)與展望 90總結(jié) 90展望 92\o"CurrentDocument"參考文獻(xiàn) 93\o"CurrentDocument"致謝 95\o"CurrentDocument"攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文 961緒論概述隨著船舶向大型化發(fā)展，它的安全性越來越受到人們的重視。特別是破損后的安全更是重中之重。船舶由于碰撞等因素會(huì)造成諸如艙室破損等結(jié)構(gòu)破壞，船舶破損后發(fā)生進(jìn)水，會(huì)使船舶吃水增大，橫傾、縱傾變大，特別是在有風(fēng)浪的情況下更會(huì)嚴(yán)重影響船舶穩(wěn)性以及航行安全，甚至?xí)袃A覆的危險(xiǎn)（圖1-1）;若破損后燃料油或液貨等發(fā)生泄漏，則會(huì)在海面上聚集，對(duì)海洋生態(tài)環(huán)境造成極大破壞。2010年發(fā)生的墨西哥灣原油泄漏事件就是一個(gè)典型的例子（圖l-2）o圖1-1“威望號(hào)”油輪斷裂沉沒Figure1-1RuptureandSinkofWeiWangTanker圖1-2墨西哥灣原油泄漏污染Figure1-2PollutionofOilSpillinMexicoGulf船舶破艙是一個(gè)十分復(fù)雜的過程，其中涉及到包括靜力和動(dòng)力等各個(gè)方面的內(nèi)容。論文以經(jīng)典的破艙研究方法為依據(jù)，將船舶破損后的計(jì)算擴(kuò)展到了時(shí)域中，并針對(duì)破艙時(shí)域過程中的浮態(tài)變化情況、液體流動(dòng)情況以及船舶運(yùn)動(dòng)對(duì)破艙的影響等問題進(jìn)行了研究，希望能為今后船舶破艙的研究做一些有意義的探索和研究。船舶破艙研究背景及意義船舶破艙研究背景自從船舶誕生之日起，海上事故就沒有中斷過。其中由于船舶破損引起的事故更是不勝枚舉。20世紀(jì)最著名的海難——“泰坦尼克”號(hào)海難至今還令人心有余悸?！疤┨鼓峥恕碧?hào)是一艘奧林匹克級(jí)郵輪，排水量達(dá)到了史無前例的52310噸，全長(zhǎng)269.06米。于1912年4月處女航時(shí)撞上冰山導(dǎo)致五艙進(jìn)水使得船體傾斜，又由于傾斜造成了更多進(jìn)水從而在2小時(shí)40分鐘后沉沒，造成了1522人死亡；1956年7月25日離紐約200海里的海面上，排水量為29000噸的豪華客船“安德列多里亞"(AndreaDoria)號(hào)與載重為20000噸的瑞典油輪“斯德哥爾摩"(Stockholm)號(hào)在霧中相撞。油輪船頭進(jìn)入客船深達(dá)十幾米，船頭拔出后重量掉約數(shù)百噸但仍能駛回紐約；客船在油輪船頭拔出后即橫傾近30度。10小時(shí)后橫傾達(dá)90度，逐漸沉沒于海底；1987年12月，菲律賓客滾船“多納?帕茲”號(hào)在Tablas海峽和小型油船“維克托”號(hào)相撞，死亡人數(shù)達(dá)到了4375人，被認(rèn)為是非戰(zhàn)爭(zhēng)時(shí)期最大的海難事故；1978年3月16H,美國(guó)22萬噸的超級(jí)油輪“亞莫克?卡迪茲”號(hào)觸礁沉沒，漏出原油22.4萬噸，污染了350公里長(zhǎng)的海岸帶，僅牡蠣就死掉9000多噸，海鳥死亡2萬多噸。事故本身損失1億多美元，污染的損失及治理費(fèi)用卻達(dá)5億多美元，而給被污染區(qū)域的海洋生態(tài)環(huán)境造成的損失更是難以估量；1993年1月21日，一艘在新加坡注冊(cè)的25.5萬噸的油輪與另一艘空油輪相撞。這艘油輪裝有近200萬桶石油，被撞裂的左舷漏出燃燒的原油，浮油帶在蘇門答臘群島不遠(yuǎn)處擴(kuò)散了約52公里，并向印度的尼科巴群島漂移；2002年巴哈馬籍油輪“威望號(hào)”在西班牙海域擱淺并發(fā)生燃料油泄漏，并于幾天后斷裂成兩半，沉入海底。這艘船上共裝有7.7萬噸燃料油。生態(tài)學(xué)家稱這可能是世界上最嚴(yán)重的燃油泄露事件之一，對(duì)當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境構(gòu)成嚴(yán)重威脅。根據(jù)勞氏船級(jí)社的全球事故統(tǒng)計(jì)，1995至1998年共有674艘（326萬總噸位）船舶完全損失，其中33%的船舶是由于碰撞和擱淺而造成的，而這些船舶約占損失總噸位的46%。通過這些海上事故可以看出，船舶破損后會(huì)因?yàn)檫M(jìn)水而使得船舶浮態(tài)以及穩(wěn)性等發(fā)生變化，從而對(duì)船舶以及船上人員的安全造成威脅；如果船舶在有橫搖、縱搖等復(fù)合運(yùn)動(dòng)時(shí)發(fā)生破損進(jìn)水，則會(huì)對(duì)船舶的運(yùn)動(dòng)以及浮態(tài)造成非常嚴(yán)重的影響，隨時(shí)可能有發(fā)生傾覆的危險(xiǎn)；而且一旦發(fā)生海上溢油事故，會(huì)造成海洋生態(tài)環(huán)境的嚴(yán)重破壞，如水生植物腐爛，海鳥因生存環(huán)境的破壞而死亡、漁場(chǎng)和養(yǎng)殖場(chǎng)也因油污染而受到嚴(yán)重的破壞等。如果海上的溢油漂移到海岸上，將會(huì)造成海岸設(shè)施、岸邊風(fēng)景區(qū)、海水浴場(chǎng)以及人員安全等造成嚴(yán)重的損失和傷害。若不能及時(shí)對(duì)溢油進(jìn)行處理，還可能引發(fā)火災(zāi)或爆炸，這也會(huì)對(duì)船舶、海上設(shè)施以及人員的安全構(gòu)成了嚴(yán)重的威脅。船舶破艙研究意義根據(jù)已經(jīng)公布的海難事故統(tǒng)計(jì)可以看出，船舶海損事故雖是偶發(fā)性事件，但是這種情況一旦發(fā)生，將會(huì)對(duì)船舶自身結(jié)構(gòu)、人員安全以及對(duì)海洋環(huán)境造成非常嚴(yán)重的破壞和污染，使生命財(cái)產(chǎn)遭受重大損失。因此，在船舶設(shè)計(jì)及運(yùn)營(yíng)階段必須考慮抗沉性的問題。船舶抗沉性是關(guān)系到船舶安全的一個(gè)重要指標(biāo)。通常意義上的船舶抗沉性是指船舶在一艙或數(shù)艙破損進(jìn)水后仍能保持一定的浮性和穩(wěn)性的能力。船舶在水面上破損后，會(huì)發(fā)生進(jìn)水或艙內(nèi)液貨外泄的情況，使得船舶下沉和傾斜，嚴(yán)重影響船舶浮性和穩(wěn)性。如果破損艙室進(jìn)水量過大，就會(huì)由于儲(chǔ)備浮力喪失使得船舶甲板或上層建筑發(fā)生浸水，進(jìn)而造成船舶浮性喪失而沉沒，或者因穩(wěn)性不足而傾覆，或因進(jìn)水導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞。同時(shí)由于進(jìn)水后船舶排水量，橫傾及縱傾的增大，會(huì)使螺旋槳、動(dòng)力裝置及鍋爐的工作發(fā)生困難。現(xiàn)在讓我們來詳細(xì)分析一下船舶破損進(jìn)水過程：船舶破損后，海水進(jìn)入破損艙室，在不考慮動(dòng)力性的情況下，艙內(nèi)水面與艙外水面保持相平。由于破損艙室損失了浮力（或者說船舶增加了等同于損失浮力的海水重量），船舶將會(huì)下沉，吃水增加。為了維持破損艙室內(nèi)外水平面的平衡，海水將繼續(xù)灌入，船舶會(huì)繼續(xù)下沉，直到破艙內(nèi)外壓力最終獲得平衡，如果無法達(dá)到平衡，船舶將沉沒。另一方面，在船舶非對(duì)稱進(jìn)水時(shí)，船舶破損進(jìn)水會(huì)導(dǎo)致船舶產(chǎn)生嚴(yán)重的橫傾和縱傾。同時(shí)，破損入水也會(huì)使船的穩(wěn)性改變，船的初穩(wěn)性高度會(huì)因此增加或減少。若初穩(wěn)性減小，船舶可能會(huì)發(fā)生傾覆。讓我們來看兩種情況，假若船舶因?yàn)椴糠峙撌移茡p，喪失了浮力而下沉，這種過程也許需要幾個(gè)小時(shí)乃至幾天；若是船舶因艙室破損發(fā)生橫向傾斜同時(shí)伴隨艙內(nèi)入水，則其可能在短時(shí)間內(nèi)發(fā)生傾覆，嚴(yán)重影響船舶安全。所以，對(duì)船舶破艙時(shí)域過程進(jìn)行計(jì)算，就是為了對(duì)船舶破艙時(shí)域進(jìn)程內(nèi)的浮態(tài)以及穩(wěn)性狀況進(jìn)行分析，以求最大限度地保障人命財(cái)產(chǎn)安全及船舶的安全航行。鑒于船舶破損帶來的種種破壞性后果，如果能在破損后及時(shí)的了解船舶進(jìn)水或液貨外泄等情況的速度、持續(xù)時(shí)間、船舶浮態(tài)以及運(yùn)動(dòng)狀況的變化，救援人員便可以此為依據(jù)制定救援方案，對(duì)于保障船舶以及船上人員的生命的安全以及防止海洋環(huán)境污染將會(huì)起到至關(guān)重要的作用?，F(xiàn)行的破艙規(guī)范以及對(duì)破艙的研究都只是停留在船舶破損進(jìn)水完成后的相關(guān)性能以及最終的浮態(tài)情況，而對(duì)于進(jìn)水時(shí)域過程中船舶的浮態(tài)變化以及破艙時(shí)液體流動(dòng)對(duì)船舶運(yùn)動(dòng)性能的影響則很少提及，而事實(shí)上在船舶進(jìn)水的過程中船舶的浮態(tài)變化以及運(yùn)動(dòng)性能都與未破損時(shí)有很大區(qū)別，需要在破損時(shí)域內(nèi)進(jìn)行分析。特別是在船舶裝載有液貨的情況下，船舶一旦發(fā)生破損，大量的帶有污染性的液體會(huì)流入海中，對(duì)海洋環(huán)境造成很大的破壞。論文所研究的正是船舶破損整個(gè)過程船舶狀態(tài)的改變、船舶破損后艙內(nèi)液體與艙外液體的流動(dòng)情況以及它們之間的相互影響。對(duì)這一過程進(jìn)行研究對(duì)于船舶破艙后的安全性以及對(duì)環(huán)境的影響并且制定施救方案具有很大的幫助。本課題希望能在總結(jié)前人研究方法的基礎(chǔ)上提出一些新的、可供后人參考的理論和方法。船舶破艙研究現(xiàn)狀國(guó)內(nèi)外船舶破艙研究現(xiàn)狀關(guān)于船舶破艙后過程的研究主要以理論方法和模型試驗(yàn)為主。在理論研究方面，由于未破損的船舶在隨機(jī)海況下的運(yùn)動(dòng)已經(jīng)十分復(fù)雜，在有波浪的情況下，船舶一旦破損,會(huì)帶來諸如破艙進(jìn)水方式、破口內(nèi)外液體的對(duì)流和交換、艙內(nèi)水運(yùn)動(dòng)與船舶運(yùn)動(dòng)的耦合以及船舶運(yùn)動(dòng)與波浪運(yùn)動(dòng)的耦合等一系列非常復(fù)雜的問題，很難建立完整、全面的數(shù)學(xué)模型。因此，目前關(guān)于船舶破艙穩(wěn)性的計(jì)算主要是從概率破艙的方面考慮，探求船舶破艙后的浮態(tài)及安全情況。但是在現(xiàn)實(shí)海況下，概率方法無法給出滿意的結(jié)果。最早的船舶破艙穩(wěn)性標(biāo)準(zhǔn)建立于1890年，當(dāng)時(shí)提出了超過425ft的客船須滿足“二艙不沉”，但對(duì)貨船沒有要求。“泰坦尼克”號(hào)失事后，第一次SOLAS會(huì)議召開，提出根據(jù)船舶長(zhǎng)度和種類來決定分艙數(shù)，并擬定破艙最小剩余干舷為76mmo1932年SOLAS公約修正案中限制了船舶破艙進(jìn)水后的橫傾角小于等于7度。1948年SOLAS會(huì)議開始細(xì)化船舶破艙范圍及其相應(yīng)的穩(wěn)性衡準(zhǔn)，并要求船舶破艙后須有正的剩余穩(wěn)性力臂。在1960年SOLAS會(huì)議上第一次詳細(xì)量化了剩余穩(wěn)性衡準(zhǔn)，提出了最小剩余初穩(wěn)性高度的要求。1974年SOLAS公約對(duì)最小剩余干舷、滲透率、不沉制、剩余初穩(wěn)性高度、橫傾角進(jìn)一步細(xì)化，與此同時(shí)，1974年IMO通過A265決議，目前作為1974年SOLAS公約“分艙與穩(wěn)性”的等效規(guī)則予以實(shí)施，等效規(guī)則的特點(diǎn)是用概率方法來確定某種特殊破艙情況下破損位置、范圍、船舶幸存的概率，其衡準(zhǔn)通過比較兩個(gè)分艙指數(shù)完成，一為要求的分艙指數(shù)，另一個(gè)為達(dá)到的分艙指數(shù)，前者跟實(shí)船的分艙長(zhǎng)度、救生艇的載人數(shù)有關(guān)，后者用概率方法得到，前者必須小于或等于后者。2009年制定的SOLARS2009公約將客船與貨船的概率破艙進(jìn)行了統(tǒng)一，并且要求考慮縱傾；滲透率變大且與吃水相關(guān)；橫向破損范圍變大了，原來到中心線為止，現(xiàn)在橫向破損寬度B/2（首尾過中心線）;增加單個(gè)吃水下的A值要求，貨船＞0.5R,客船＞0.9R；雙層底從防撞艙壁延伸到尾尖艙壁，橫向延伸到兩舷，高度不小于B/20。長(zhǎng)期以來，國(guó)內(nèi)外的研究人員做了大量關(guān)于船舶破損方面的研究，取得了很大的進(jìn)展，并且形成了很多成型且使用的軟件和較成熟的算法。國(guó)外在此領(lǐng)域的研究工作起步較早，前蘇聯(lián)、美國(guó)、日本、英國(guó)等國(guó)家的研究者們較早地對(duì)船舶的抗沉性進(jìn)行了研究,在這方面比較著名的是前蘇聯(lián)的符拉索夫、勃列格曼、馬涅采夫等早在六、七十年代就對(duì)船舶的不沉性進(jìn)行了大量行之有效的研究，確定了各種浮態(tài)參數(shù)與一系列經(jīng)驗(yàn)公式，給出了解平衡方程的近似解法；大連理工大學(xué)的趙曉非等對(duì)穩(wěn)性計(jì)算方法進(jìn)行了一系列的深入研究，給出了求解船舶浮態(tài)問題的矩陣方法并將之應(yīng)用于破損船舶的浮態(tài)以及穩(wěn)性計(jì)算。近年來隨著水動(dòng)力學(xué)以及計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，很多學(xué)者開始在時(shí)域內(nèi)研究船舶破艙后的情況。T.A.Santos等人在時(shí)域內(nèi)研究了靜水中的破損滾裝船的橫向非對(duì)稱進(jìn)水問題，船艙破損范圍、雙層底橫向進(jìn)水、船舶重心高度、破損艙室內(nèi)阻礙物尺度、不同的艙室布置和邊艙的設(shè)置對(duì)橫向非對(duì)稱進(jìn)水的影響，發(fā)現(xiàn)滿足SOLAS公約的破艙滾裝船在靜水中橫向非對(duì)稱進(jìn)水時(shí)，也可能傾覆；他還對(duì)船舶破損后進(jìn)入艙室的水體與船舶的耦合運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了研究；Vassalos等人通過求解破損船舶的運(yùn)動(dòng)方程研究了破損船舶在時(shí)域內(nèi)的運(yùn)動(dòng)情況，他們對(duì)一艘航速為零、在現(xiàn)實(shí)海況下的典型的滾裝船進(jìn)行了數(shù)學(xué)模擬，考慮了橫搖、垂蕩和橫蕩三種運(yùn)動(dòng)，并且考慮在隨機(jī)波浪下瞬間破艙進(jìn)水的狀況、甲板積水以及縱傾、升沉沉位置，對(duì)影響破艙穩(wěn)性的一些參數(shù)如破艙長(zhǎng)度、位置、干舷以及提高穩(wěn)性的設(shè)施如舷外飄、翼艙、可收縮性艙壁進(jìn)行了研究，并提出了“穩(wěn)性邊界曲線''的概念，它是一條反映船舶傾覆臨界狀態(tài)的曲線，在曲線內(nèi)表示船舶是安全的，否則，就會(huì)傾覆。他對(duì)破艙進(jìn)水的處理方法被后來的許多文獻(xiàn)采用。破艙進(jìn)水經(jīng)典數(shù)學(xué)模型研究船舶破損情況的關(guān)鍵是要建立合適的數(shù)學(xué)模型。船舶破損后的時(shí)域進(jìn)程非常復(fù)雜，需要考慮的情況包括：＞進(jìn)水過程中船舶浮態(tài)的變化＞破口處液體流動(dòng)情況＞艙室內(nèi)外液體的對(duì)流以及粘度的影響情況＞流入液體對(duì)船舶的靜力以及動(dòng)力影響＞破損過程中船舶的運(yùn)動(dòng)情況＞破損過程中波浪的影響這些情況中還有很多諸如船舶運(yùn)動(dòng)過程中的非線性的問題需要解決，要想精確地模擬船舶的破損過程十分困難，需要建立比較全面的數(shù)學(xué)模型。在實(shí)際研究中需要抓住問題的主要矛盾，根據(jù)研究的重點(diǎn)建立數(shù)學(xué)模型，而將其他方面做簡(jiǎn)化處理。這也是科學(xué)研究的基本方法。在對(duì)船舶破損研究的過程中，國(guó)內(nèi)外的研究人員已建立的模型有⑴：＞早期模型(VassalosandTuran,1997)船側(cè)破損非線性的橫蕩-垂蕩-橫搖耦合運(yùn)動(dòng)方程風(fēng)和波浪激勵(lì)規(guī)則波或不規(guī)則波船體水動(dòng)力：切片理論內(nèi)部水動(dòng)力：靜態(tài)模型涌入水：水壓力模型＞較先進(jìn)的模型船側(cè)破損或腦門破損(Chang,1999)由于進(jìn)水積聚效應(yīng)引起質(zhì)量變化的六自由度的非線性運(yùn)動(dòng)風(fēng)浪激勵(lì)規(guī)則和不規(guī)則波的影響船體水動(dòng)力學(xué)：帶有記憶效用的三維勢(shì)流理論(HuangandHsiung,1997)內(nèi)部水動(dòng)力：基于N-S方程的搖蕩模型(Annenio.1996)進(jìn)入水的影響：Bernoulli方程(Vassalos,1997)非線性系統(tǒng)的動(dòng)力影響：混沌和分叉理論(MurashigeandAihara,1998)以下是對(duì)破損船舶進(jìn)行數(shù)學(xué)模擬的一般觀點(diǎn)：(1)破損船舶的動(dòng)力學(xué)分析：這是一個(gè)六自由度的耐波模型，它包括了船舶漂移運(yùn)動(dòng)以及質(zhì)量，質(zhì)心，周圍環(huán)境的激勵(lì)作用和水動(dòng)力的反作用力在時(shí)間范圍內(nèi)的變化。(2)流入水和流出水的影響：它是一個(gè)足夠精確的出、入水模型。包括進(jìn)了多重艙室進(jìn)水的水流振動(dòng)情況和極端波浪條件下的隨時(shí)間變化的剪切流情況。(3)進(jìn)水與船舶運(yùn)動(dòng)的相互影響：船舶的運(yùn)動(dòng)對(duì)進(jìn)水的過程產(chǎn)生直接的影響，反過來,進(jìn)水又影響船舶的運(yùn)動(dòng)和姿態(tài)。因此，將二者同時(shí)考慮近來是相當(dāng)重要的。然而，積聚水的作用再加上進(jìn)入水過程本身的間斷性所引起的船舶運(yùn)動(dòng)的非平穩(wěn)性，需要我們?cè)谶M(jìn)行計(jì)算時(shí)進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化。論文主要內(nèi)容論文的研究重點(diǎn)是船舶破損進(jìn)水后的浮態(tài)變化以及進(jìn)水對(duì)船舶運(yùn)動(dòng)性能的影響。將擬靜態(tài)方法作為基本方法來研究船舶破損后時(shí)域過程中的靜態(tài)以及動(dòng)態(tài)響應(yīng)。所謂擬靜態(tài)即是將船舶破損后的每一時(shí)刻都當(dāng)做靜態(tài)過程來處理，在每一時(shí)刻船舶都處于平衡狀態(tài)，即船舶每一時(shí)刻都滿足浮態(tài)平衡方程，在這個(gè)基礎(chǔ)上分析船舶破損進(jìn)水過程中的相關(guān)參數(shù)。論文主要進(jìn)行了以下幾個(gè)方面的研究：(1)利用牛頓法在時(shí)域內(nèi)對(duì)破損船舶浮態(tài)平衡方程進(jìn)行求解，得到了船舶破損后時(shí)域進(jìn)程內(nèi)的浮態(tài)變化情況以及艙內(nèi)液貨的外流情況；(2)論文對(duì)大破口破艙的情況進(jìn)行的深入了探討和分析，對(duì)破口內(nèi)外液面的不同情況進(jìn)行了歸類討論并利用伯努利方程計(jì)算了在破口內(nèi)外液體不同時(shí)的內(nèi)外液體交換情況；(3)通過求出船舶線性橫搖方程的解析解，給船舶一個(gè)初始橫搖運(yùn)動(dòng)方式，然后分析船舶破損對(duì)橫搖運(yùn)動(dòng)的影響情況以及橫搖運(yùn)動(dòng)對(duì)艙室進(jìn)水以及液體交換的影響情況；(4)對(duì)液體粘度、破口大小和破口高度對(duì)船舶破艙時(shí)域計(jì)算的影響進(jìn)行了探索和討論。論文的主要結(jié)構(gòu)如下：第一章對(duì)船舶破艙研究的背景及意義做了詳細(xì)介紹，并對(duì)國(guó)內(nèi)外對(duì)破艙研究的現(xiàn)狀進(jìn)行的回顧，最后對(duì)論文所研究的內(nèi)容作了介紹；第二章介紹了船舶破艙的基本類型、破艙浮態(tài)以及穩(wěn)性計(jì)算的基本方法，并介紹了使用牛頓法對(duì)破損船舶浮態(tài)和穩(wěn)性進(jìn)行計(jì)算的原理和步驟以及破損船舶船體和淹水艙要素的計(jì)算方法；第三章主要介紹了破損船舶破口處液體的流動(dòng)情況，利用伯努利定理對(duì)破口處液體流動(dòng)速度進(jìn)行了計(jì)算，并根據(jù)破口處艙室內(nèi)外的液面高度和壓力情況對(duì)破口內(nèi)外液體流動(dòng)以及交換情況進(jìn)行了詳細(xì)的分析，最后針對(duì)不同粘度液體的流動(dòng)建立了液體粘度對(duì)破口流量系數(shù)的影響曲線；第四章討論了船舶在沒有橫搖等運(yùn)動(dòng)時(shí)的破艙時(shí)域計(jì)算，給出了計(jì)算的基本假定和進(jìn)行時(shí)域計(jì)算的詳細(xì)流程，并以一艘5000DWT液貨船為例分別計(jì)算了空艙進(jìn)水和內(nèi)外液體交換兩種工況的破艙時(shí)域過程，得出了一些結(jié)論；第五章在第四章的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究了破艙橫搖的是與計(jì)算方法和步驟，分析了船舶破損進(jìn)水后的受力情況，在基于小傾角線性化的前提下建立了破損船舶橫搖運(yùn)動(dòng)方程式，并求解得到船舶橫搖方程的解析解，對(duì)整個(gè)船舶破艙橫搖過程進(jìn)行擬靜態(tài)處理，對(duì)船舶橫搖過程中破艙進(jìn)水建立了數(shù)學(xué)模型，計(jì)算了破損進(jìn)水對(duì)船舶橫搖周期、橫搖幅度以及最終浮態(tài)的影響，并以一艘5000DWT液貨船為例分別計(jì)算了空艙進(jìn)水和內(nèi)外液體交換兩種工況的破艙橫搖時(shí)域過程，得出了一些結(jié)論；；第六章根據(jù)前面章節(jié)內(nèi)容，以5000DWT液貨船為例，對(duì)比計(jì)算了艙內(nèi)液體粘度、破口大小和破口高度對(duì)靜止船舶破損時(shí)域計(jì)算和破損船舶橫搖時(shí)域計(jì)算的影響，并對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了分析，驗(yàn)證了論文內(nèi)容的可行性和準(zhǔn)確性；第七章總結(jié)了全文分析和研究的結(jié)果，以及論文中的不足，展望了課題進(jìn)一步的研究方向和內(nèi)容，并提出了相關(guān)的建議以供參考。本章小結(jié)本章主要描述了船舶破艙時(shí)域模擬的研究背景、課題研究的目的和意義、國(guó)內(nèi)外破艙計(jì)算的研究現(xiàn)狀、方法以及經(jīng)典破艙進(jìn)水模型，并提出了論文的研究?jī)?nèi)容和方法。對(duì)文章的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了說明。2船舶破艙浮性及穩(wěn)性計(jì)算概述船舶在營(yíng)運(yùn)過程中有可能發(fā)生海損事故，造成船體破損，使海水進(jìn)入船體。這種海損事故雖是偶然性事件，但會(huì)造成嚴(yán)重后果，甚至?xí)股?cái)產(chǎn)遭到重大損失。因此，在船舶設(shè)計(jì)階段，就需要考慮抗沉性問題。船舶的抗沉性是用水密艙壁將船體分隔成適當(dāng)數(shù)量的艙室來保證的，要求當(dāng)一艙或數(shù)艙進(jìn)水后，船舶的下沉不超過規(guī)定的極限位置，并保持一定的穩(wěn)性。在船舶靜力學(xué)中，抗沉性問題包括下列兩個(gè)方面的內(nèi)容：(1)船舶在一艙或數(shù)艙進(jìn)水后浮態(tài)及穩(wěn)性的計(jì)算；(2)從保證船舶抗沉性的要求出發(fā)，計(jì)算分艙的極限長(zhǎng)度，即可浸長(zhǎng)度的計(jì)算。?20150910論文主要從第一個(gè)方面來對(duì)船舶抗沉性問題進(jìn)行研究。船舶破艙分類在船舶破艙計(jì)算中，根據(jù)船艙進(jìn)水情況，可將船艙分為以下五類⑵：第一類艙：進(jìn)水艙的頂部位于水線之下，船艙破損進(jìn)水后海水灌滿全艙。艙頂部沒有破損，所以艙內(nèi)沒有自由液面。艙內(nèi)進(jìn)水體積及其重心位置隨進(jìn)水后船的浮態(tài)而改變，雙層底艙和頂蓋在水線以下的深艙等都屬于這類情況。圖2-1第一類破艙Figure2-1No.1DamagedShip第二類艙：破艙進(jìn)水后艙未被灌滿，艙內(nèi)的水與舷外的海水不相通，故存在自由液面。艙內(nèi)進(jìn)水體積不隨船的浮態(tài)而改變，例如：船舶貨艙蓋損壞，從艙蓋破損處灌入的海水使得貨艙被淹，以及船舶破損已經(jīng)被堵塞，但艙室內(nèi)海水未被抽干等均屬于這類。zkq20150910圖zkq20150910圖2-2第二類破艙Figure2-2No.2DamagedShip第三類艙：破損艙頂在水線以上，艙內(nèi)的水與舷外水相通，船舶在發(fā)生破艙進(jìn)水后將發(fā)生下沉和傾斜。由于艙內(nèi)水面與舷外水面保持在同一水平面，所以在船舶下沉和傾斜的過程中舷外海水將不斷進(jìn)入破損艙室內(nèi)，艙內(nèi)進(jìn)水體積及其重心位置隨進(jìn)水后船舶的浮態(tài)而改變，船體在水線附近破損引起貨艙進(jìn)水屬于這種情況，這是破艙中最普遍的一種情況。

圖2-3第三類破艙Figure2-3No.3DamagedShip第四類艙：假如在局部受淹且與舷外水相通的第三類艙中具有空氣墊，則艙內(nèi)淹水水位不與船的水線相重合。所以具有空氣墊的第三類艙應(yīng)單獨(dú)分為一類，即第四類艙。因而，艙室局部受淹、與舷外水相通，但不與外界大氣相通（完全氣密）的淹水艙稱為第四類破艙。zkq20150910圖24第四類破艙Figure2-4No.4DamagedShip第五類艙：常常遇到這樣一些第二類艙，這些艙中的水隨船舶傾斜而流向舷外。它們與通常的第二類艙不同，隨著船舶傾斜的增加，艙中水量不斷減少；而第二類艙中的水量為常量，且不隨船舶的傾角改變。因此，把這種水流向舷外的第二類艙應(yīng)當(dāng)稱為第五類艙。因而，艙的側(cè)壁上部開有和舷外水水上相通而水下不相通的孔的淹水艙稱為第五類艙。第五類艙的特點(diǎn)是：當(dāng)船舶傾斜時(shí)，艙中的淹水水位始終通過出水孔邊緣。出水點(diǎn)的坐標(biāo)不變，且此點(diǎn)是艙中淹水水位的轉(zhuǎn)動(dòng)中心圖2-5第五類破艙Figure2-5No.5DamagedShip論文的計(jì)算認(rèn)為在進(jìn)水過程中破艙類型為第二類破艙，當(dāng)艙內(nèi)液面高于破口位置時(shí)為第三類破艙。船舶破艙計(jì)算基本方法現(xiàn)行的計(jì)算船舶破艙的方法主要有概率性破艙和確定性破艙兩種〔叫（1）概率性破艙計(jì)算⑷概率性破艙計(jì)算方法認(rèn)為船舶破損時(shí)的環(huán)境參數(shù)和自身狀態(tài),都具有隨機(jī)性，因此應(yīng)當(dāng)將船舶破損淹水后的殘存概率作為抗沉可靠性的安全水平。概率性方法是根據(jù)大量碰撞、擱淺事故造成的船舶海損統(tǒng)計(jì)資科基礎(chǔ)上建立的計(jì)算校核船舶殘存能力的方法。概率破艙穩(wěn)性計(jì)算方法目前還是在船舶分艙完畢之后，才能進(jìn)行計(jì)算，實(shí)際上是校核計(jì)算。這里需要指出的是概率計(jì)算方法仍然以確定性方法的計(jì)算結(jié)果為基礎(chǔ)，所以說確定性方法是破艙穩(wěn)性計(jì)算的基礎(chǔ)方法。概率性破艙計(jì)算主要有以下幾點(diǎn)內(nèi)容：1）規(guī)定了船舶在縱向、橫向和垂向的破損最大范圍，在該范圍內(nèi)的縱向分隔、橫向分隔及水平分隔的作用均可被考慮，不限制破損部位。2）規(guī)定了計(jì)算時(shí)相應(yīng)的破艙前船的狀態(tài)。對(duì)每種狀態(tài)計(jì)算一系列可能對(duì)破損后的“生存能力”有貢獻(xiàn)的破損艙組。3）規(guī)定了殘存船舶的浮態(tài)，穩(wěn)性指標(biāo)與生存概率的關(guān)系。4）根據(jù)各種艙或艙組的破損概率以及它們破損浸水后殘存船舶的生存概率計(jì)算達(dá)到的分艙指數(shù)，并與要求的分艙指數(shù)相比較。允許某些艙組破損浸水后船舶殘存能力低于衡準(zhǔn)的要求（即生存概率為零或小于Do（2）確定性破艙計(jì)算確定性破艙計(jì)算方法認(rèn)為船舶在破損前的環(huán)境參數(shù)及自身狀態(tài)（包括外力情況和船舶自身浮態(tài)、穩(wěn)性和淹水艙情況等）都是確定的，根據(jù)這些已知條件經(jīng)過計(jì)算可以確定船舶一定艙室破損淹水后的浮態(tài)和穩(wěn)性。確定性破艙計(jì)算主要有以下幾點(diǎn)內(nèi)容：1）規(guī)定了船舶在縱向、橫向和垂向的破損范圍以及在船內(nèi)或沿船長(zhǎng)的位置（如橫艙壁之間，機(jī)艙艙壁等）。2）規(guī)定了計(jì)算時(shí)相應(yīng)的破艙前船的狀態(tài)（或一組狀態(tài)），確定一個(gè)或多個(gè)最危險(xiǎn)的破損艙組。3）規(guī)定了對(duì)殘存船舶浮態(tài)、穩(wěn)性的要求。4）要求計(jì)算出滿足上述要求的破艙前船的極限初穩(wěn)性高（或極限重心高度），不允許任意要求計(jì)算的狀態(tài)不滿足有關(guān)破艙穩(wěn)性要求。確定性破艙計(jì)算主要有兩種方法，即增加重量法和損失浮力法⑴。（1）增加重量法增加重量法把船體破損時(shí)淹入艙內(nèi)的水看成是重量等于淹水重量的液體載荷。在這"201 10種情況下，破損船舶的重量、排水量比未破損船舶的排水量增加一個(gè)淹水重量，且船的重心位置發(fā)生了變化。（2）損失浮力法損失浮力法認(rèn)為船體破損后的進(jìn)水區(qū)域是不屬于船舶的，即該部分的浮力已經(jīng)損失，損失的浮力借增加吃水來補(bǔ)償。這樣，對(duì)于整個(gè)船舶來說，其排水量不變。因此損失浮力法又稱為固定排水量法。這兩種方法都是以確切的物理含義為基礎(chǔ)，因此，若用它們計(jì)算一些要素的絕對(duì)值,也就是計(jì)算能夠在船上測(cè)量的一些實(shí)際量值（吃水、橫傾角、縱傾角、穩(wěn)性系數(shù)、回復(fù)力矩），則得出相同的結(jié)果。而用它們計(jì)算表征船舶穩(wěn)性的相對(duì)量值（初穩(wěn)性高、靜穩(wěn)性力臂），這兩種方法給出不同的結(jié)果，因?yàn)檫@些相對(duì)量值是由相應(yīng)的絕對(duì)值除以排水量得到的，而排水量在這兩種方法的計(jì)算中是不一樣的。然而，很明顯，使用不同的方法所計(jì)算得到的穩(wěn)性相對(duì)指標(biāo)與用不同方法計(jì)算排水量相互間有聯(lián)系。因此，用增加重量法求得的初穩(wěn)性高比用損失浮力法求得的初穩(wěn)性高小若干倍，其小的倍數(shù)就是船在破損前的排水量比破損后加上淹水的排水量縮小的倍數(shù)。需要說明的是，增加重量法和損失浮力法的浮態(tài)平衡方程，除方程中各項(xiàng)的組合不同外，其形式完全一樣。2.4計(jì)算坐標(biāo)系及浮態(tài)參數(shù)適當(dāng)?shù)拇w坐標(biāo)系和浮態(tài)參數(shù)有助于人們更好地分析和理解船舶浮態(tài)穩(wěn)性原理并構(gòu)建合適的數(shù)學(xué)模型。為了能夠在船舶浮態(tài)穩(wěn)性計(jì)算中更形象更直觀地表述有關(guān)計(jì)算，需要建立一個(gè)適當(dāng)?shù)拇w坐標(biāo)系并選取合適的浮態(tài)參數(shù)。如何選取船體坐標(biāo)系并根據(jù)浮態(tài)參數(shù)確定水線面方程是船舶破艙浮態(tài)計(jì)算中的一個(gè)關(guān)鍵問題。計(jì)算坐標(biāo)系為了描述船舶浮態(tài)需要定義兩個(gè)坐標(biāo)系（圖2-6）：（1）固定坐標(biāo)系OXYZ固定坐標(biāo)系的oxy平面與靜止水面重合，z軸指向水面的上方。該坐標(biāo)用來表示船舶浮態(tài)的三個(gè)參數(shù)。（2）船體坐標(biāo)系船體坐標(biāo)系的原點(diǎn)選在船的基平面、中橫剖面和中縱剖面的交點(diǎn)上。在船體坐標(biāo)系中，規(guī)定x軸指向船首為正，y軸指向右舷為正，z軸向上為正。0 0zl\（i201.509100圖2-6計(jì)算坐標(biāo)系Figure2-6CoordinateSystem2.4.2浮態(tài)參數(shù)的選取浮性是船舶在一定裝載情況下具有漂浮在水面（或浸沒在水中）保持平衡位置的能力，它是船舶基本性能之一。船舶浮態(tài)為船舶相對(duì)于靜止水面的漂浮狀態(tài)，分為正浮、橫傾和縱傾三種。在研究船舶不沉性時(shí)，由于只考慮垂直力的作用，只要一個(gè)線坐標(biāo)和兩個(gè)角坐標(biāo)參數(shù)就可以確定船舶的位置。論文選擇符拉索夫參數(shù)為浮態(tài)參數(shù)，包括平均吃水乙、橫傾角和縱傾角（p。其中平均吃水是指水線面下船體的深度，即水線面與船底間的垂直距離，基準(zhǔn)面以上為正。根據(jù)量取方法不同可分為型吃水和實(shí)際吃水。兩者相差一龍骨板厚度。橫傾角。是在船體中站面上量取的，向右舷橫傾為正。縱傾角是在船體中線面上量取的，首傾為正。有時(shí)船舶縱傾的大小用船舶吃水差表示，船舶吃水差（Trim）是指船舶首吃水d（即首垂線處的吃水）與尾吃水"（即尾垂線處的吃水）的差值，用t來表示。當(dāng)首吃水大于尾吃水稱為首傾，反之稱,尾傾，二者相等稱為平吃水。根據(jù)公式X^=t/LBP,其中乙.為船舶垂線間長(zhǎng)。船舶任一浮態(tài)都可以用這三個(gè)參數(shù)表示出來。2.5 船舶破艙浮態(tài)計(jì)算根據(jù)前文所述，船舶破艙計(jì)算的最重要的內(nèi)容就是選用適當(dāng)?shù)姆椒▽?duì)船舶一艙或數(shù)艙進(jìn)水后的浮態(tài)進(jìn)行計(jì)算。所謂浮態(tài)，是指船舶浮于靜水中的平衡狀態(tài)，通?？煞譃檎?、橫傾和縱傾三種。破損船舶浮態(tài)分析是一項(xiàng)非常繁瑣的工作，涉及到眾多不同裝載狀態(tài)和假定破損范圍條件下，眾多不同破艙組合。一般情況下，破損后船體的自由浮態(tài)計(jì)算過程為：（1）確定破損狀況（包括破損位置、破口大小、破損艙室種類等）；（2）確定破損后最終平衡水線位置。船體破損后艙室浸水是一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡過程（假設(shè)損壞堵漏無效），通過破損后自由浮態(tài)計(jì)算，分析船舶的破損穩(wěn)性。（3）在滿足破損穩(wěn)性的條件下，根據(jù)最終平衡水線確定破損后艙室進(jìn)水量，以及破損后所產(chǎn)生的橫傾角和縱傾角。破損船舶浮態(tài)以及穩(wěn)性計(jì)算流程如圖2-7所示⑸。圖2-7破損船舶浮態(tài)及穩(wěn)性計(jì)算Figure2-7TheFloatStateandStabilityComputationofDamagedShip2.5.1 破損船舶浮態(tài)平衡方程船舶在水中平衡時(shí)僅受作用與重心的垂直向下的重力和作用于浮心的垂直向上的浮力。因此船舶的平衡條件必然是：(1)重力與浮力的大小相等而方向相反，即「二匹；(2)重心8和浮心G在同一鉛垂線上。根據(jù)損失浮力法的基本原理，可以得到破損船舶的浮態(tài)平衡方程⑹為P。-二=0Y_Mxz—Mxy-tan0=0 (2-1)Myz-Mxy-tan(p=0式中：z-為除去淹水部分的排水體積，s為船舶排水體積，z中的(表示淹水1.2,3艙的類型，V為船舶淹水體積；產(chǎn)為船舶排水量，丫為水的重度；MJC=VYB-YJvy-PYG/y,M?.=VZB-^vz-PZG/y, =VXB-^vx-PXG/y,1,2,3 1,2,3 1.2,3XB,LZ8和Xc,〃,Zg分別為浮心坐標(biāo)和重心坐標(biāo)，x,y,z為淹水部分的型心坐標(biāo)。

2.5.2 浮態(tài)平衡方程的求解根據(jù)上節(jié)描述，破損船舶浮態(tài)方程是一個(gè)非線性隱式方程，通常使用優(yōu)化方法中的牛頓法對(duì)它進(jìn)行求解，即將浮態(tài)方程式寫成如下形式/(Jm,tan0,tan(p)=O力2.5.2 浮態(tài)平衡方程的求解根據(jù)上節(jié)描述，破損船舶浮態(tài)方程是一個(gè)非線性隱式方程，通常使用優(yōu)化方法中的牛頓法對(duì)它進(jìn)行求解，即將浮態(tài)方程式寫成如下形式/(Jm,tan0,tan(p)=O力(dm，tan9,tan(p)=0工(人,tan9,tan<p)=0(2-2)引進(jìn)向量表示:則方程組(2-2)改寫為:采用逐次線性化方法,tan0卜0=,0tan(pj[0產(chǎn)(X)=0則得到線性化方程:(2-3)(2-4)￡>E(X*)(X—X*)+E(X*)=O (4=0,1,2,3,...) (2-5)式中小(%)為/(X)在X*處的Jacobi矩陣，％為第％次迭代的解。為了便于進(jìn)行數(shù)值迭代計(jì)算，下面直接給出以浮態(tài)參數(shù)修正值為未知數(shù)的逐次線性化方程組，例如,在第"次近似時(shí)，注意到式Q-4),線性化方程組可寫成下面矩陣形式:在第"次近似時(shí)，注意到式Q-4),線性化方程組可寫成下面矩陣形式:「蘇(XJla1力(占)蘇(X)蘇(%)-一風(fēng)火Ir/；(t/m*,taneA.,tan(pA.)'l-StanG+f{d,tanG,tan(p)=0dtan8dtan(p1叫dtanOdtan(pk 12mk k k\8tan<pA |_力(",成,tand，tanq\)J皈(上)蘇(%)叨心1沅3tan03tan(p(2-6)于是，第％+1次近似時(shí)的浮態(tài)參數(shù)為：(2-7)*伏+1)=41k+6九(2-7)tane&+]=tan"+3tan”>

tan(pA+i=tan(pA+8tan(pAJ其中3d、StanO和3tan(p分別為第4次求解得到的破損船舶浮態(tài)參數(shù)的增量。mk k k下面來確定式(2?6)中的Jacobi矩陣。按船舶靜力學(xué)原理，可以求得下列各偏導(dǎo)數(shù)⑺：

"-e -ev加ddm'9tan0'''3tan(p=?》=SXf^^=ixvF+sxfyf要L=%+sx]odf)l ,dtanO Ktan(p警=syf,^-=/才+s片,=I+SXYddm dtanG 3tan(p町「 FF=SZ _jtan0+/tan(p+SYZ，(2-8)ddm Fatan0xr 的、 一Ivptan(p+10Ftan。+SXdtan(p卜尸式中：S——以4,,tan。和tan(P為參數(shù)的傾斜水線面于基準(zhǔn)面上的投影;XF,Yf,Zf 面積S的重心坐標(biāo)；小，JyF-心——面積S的中心慣性矩。于是，可以推得數(shù)值解矩陣方程(2-6)的Jacobi矩陣網(wǎng)s syfI(ls syfI(l+tan20)+/tan0tan(pS(4+Zftan。) xyF+SYF(YF+ZFtanQ)+M'XyS(^+Zftan(p)^tanetan<p+Z^(l+tan?+S/(X/+Z/tan(p)SXFItan0tan(p+/(

yF xyF+封產(chǎn)(4+Z尸tanG)IyF(1+tan+tan20)(2-9)3)+/好tan。tan(p|+SXf(Xf+Z尸tan(p)+A/.xy此時(shí)，便可以將式(2?9)帶入式(2?6)進(jìn)行求解，即可得到破損船舶浮態(tài)參數(shù)第2次的增量3d、8tan0和3tan(p,對(duì)浮擊參數(shù)增量進(jìn)行判斷，如果同時(shí)滿足3d<a,nik k k mk3tan仇<b,Stan(pA<c(其中a、b、c分別為計(jì)算精度要求，通常取0.0001)則認(rèn)為滿足精度要求，進(jìn)入下一時(shí)刻的計(jì)算；如果不滿足上述要求，則繼續(xù)進(jìn)行第4+/次的迭代，直到滿足精度要求。2.6 船舶破艙穩(wěn)性計(jì)算船舶在外力作用下偏離其平衡位置而傾斜，當(dāng)外力消失后，能自行回復(fù)到原來平衡位置的能力，稱為船舶穩(wěn)性?；蛘哒f船舶穩(wěn)性是船舶在外力作用消失后保持其原有位置的能力。根據(jù)上節(jié)的論述，船舶靜止漂浮于水面某一位置時(shí)，受到重力和浮力兩個(gè)作用力，其大小相等，但方向相反，而且兩者的作用點(diǎn)在同一鉛垂線上，這時(shí)船舶處于平衡狀態(tài)。但船舶在海上航行時(shí)，經(jīng)常受到風(fēng)浪等各種外力的干擾，使其產(chǎn)生傾斜，這樣就破壞了原來正浮時(shí)的平衡狀態(tài)。船舶受到外力干擾產(chǎn)生傾斜后會(huì)不會(huì)傾覆？當(dāng)外力消失后船舶會(huì)不會(huì)回復(fù)到原來的平衡位置？這就是船舶的穩(wěn)性問題。船舶受到傾斜力矩的作用會(huì)發(fā)生傾斜，假若傾斜力矩的作用是從零開始逐漸增加，使船舶傾斜時(shí)的角速度很小，可忽略不計(jì)，則這種傾斜下的穩(wěn)性稱為靜穩(wěn)性。若傾斜力矩是突然作用在船上，使船舶傾斜有明顯的角速度的變化，則這種傾斜下的穩(wěn)性稱為動(dòng)穩(wěn)性。船舶在橫向和縱向上抵抗傾斜的能力，分別稱為橫穩(wěn)性和縱穩(wěn)性。造成船舶離開原來平衡位置的是傾斜力矩，它產(chǎn)生的原因有：風(fēng)和浪的作用、船上貨物的移動(dòng)、旅客集中于某一舷側(cè)、拖船的急牽、火炮的發(fā)射以及船舶回轉(zhuǎn)等，其大小取決于這些外界條件。促使船舶回復(fù)到原來平衡位置的是復(fù)原力矩，其大小取決于排水量、重心和浮心的相對(duì)位置等因素。因此，傾斜力矩和復(fù)原力矩這一對(duì)矛盾中，前者是外因，后者是內(nèi)因。船舶穩(wěn)性問題可以分為下面兩部分進(jìn)行討論：(1)初穩(wěn)性(或稱小傾角穩(wěn)性)一般指傾斜角度小于10。?15。或上甲板邊緣開始入水前(取其小者)的穩(wěn)性；(2)大傾角穩(wěn)性一般指傾斜角度大于10。?15?；蛏霞装暹吘夐_始入水后的穩(wěn)性。把穩(wěn)性簡(jiǎn)化為上述兩部分的原因是，在研究船舶小傾角穩(wěn)性時(shí)可以引入某些假定，既是浮態(tài)的計(jì)算簡(jiǎn)化，又能較明確地獲得影響初穩(wěn)性的各種因素之間的規(guī)律。此外，船舶的縱傾一半都屬于小角度情況，大傾角穩(wěn)性一半旨在橫向傾斜時(shí)產(chǎn)生，因此大傾角穩(wěn)性也成為大傾角橫穩(wěn)性。初穩(wěn)性船舶的初穩(wěn)性是通過初穩(wěn)性高來衡量的。船舶橫傾某一小角度中時(shí)，如船上的貨物并未移動(dòng)，則重心位置G保持不變，而浮心則自8點(diǎn)移至9點(diǎn)，此時(shí)重力力的作用點(diǎn)G和浮力的作用點(diǎn)8/不再統(tǒng)一鉛垂線上，因而產(chǎn)生了一個(gè)復(fù)原力矩Mr,即Mr=AGZ=AGM-sin(p (2-10)式中：△ 船舶排水量；GZ——復(fù)原力臂；的——橫穩(wěn)性高，亦稱初穩(wěn)性高。當(dāng)橫搖角度較小時(shí)，sin(p~<p,故式(2-10)可寫成Mr-AGA/cp q_]])式(2-11)稱為初穩(wěn)性公式。初穩(wěn)性高的是衡量船舶初穩(wěn)性的重要指標(biāo)，可寫成：= (2-12)式中：——浮心高度；——初穩(wěn)性半徑，%0=/"V,。為水線面橫向慣性矩，▽為船舶排水體積；KG 重心高度。大傾角穩(wěn)性在討論大傾角穩(wěn)性問題時(shí)，仍然是研究船舶傾斜后產(chǎn)生復(fù)原力矩以阻止其傾覆的能力，而且著重研究復(fù)原力矩隨橫傾角變化的規(guī)律。為使研究的問題簡(jiǎn)化，假定船舶處于靜水之中，它受靜水力作用，水線面為一水平面，并且忽略船舶在橫傾時(shí)由于船體首尾不對(duì)稱所引起的縱傾影響，即不考慮他們之間的耦合作用。船舶分艙和破艙穩(wěn)性(即抗沉性)是指船舶單艙或艙組破艙淹水后保持一定浮態(tài)和穩(wěn)性的能力，它是船舶重要的安全性能。船舶抗沉性計(jì)算和衡準(zhǔn)方法，分為確定性方法和概率性方法。然而不論是哪種方法，計(jì)算抗沉性最大的工作量在于確定船舶破損淹水后新的平衡位置以及對(duì)新的平衡位置傾斜時(shí)的穩(wěn)性。破損船舶自由傾斜時(shí)的穩(wěn)性計(jì)算，通常稱為最小穩(wěn)性計(jì)算。文獻(xiàn)[7]給出了幾種計(jì)算船舶最小穩(wěn)性的方法，論文使用的方法是確定符合消耗在傾斜船舶的功為最小值這一條件下的總復(fù)原力矩(或力臂)曲線⑻。假設(shè)破損船舶初始水線參數(shù)為tan。。和tan”，而等體積地傾斜到角度a后的水線參數(shù)為tan。和tan(p,那么消耗在傾斜船舶的功為：tan0,tan(p)=丫cosa(Afktancp+ tan0-Mxy)-ya0V0(2-13)式中：Y 海水重度；

a0——船舶傾斜前初始平衡位置時(shí)重心和浮心之間的垂向距離；%——船舶破損前排水體積；cosa=1/Jl+tan20+tan2（po參數(shù)為tan。、tan（p和tan。、tancp的兩個(gè)水線面之間的夾角按球面三角法⑻可得：oocosa,=（l+tan0tan0o+tan（ptan（po）cosa-cosao （2-14）于是，破損船舶最小穩(wěn)性計(jì)算，在數(shù)學(xué)上可表達(dá)為在兩個(gè)約束條件下求函數(shù)T（J?,,tan0,tan（p）的極值問題，即：minT（X）=ycosa（M~v：tancp+^T<=tan0 ）-yao^oIr > （2-15）G（x）=[g,mg2（x）]r j式中：gi（X）=/-Zf=01T5g2（X）=（l+tan。tan0（）+tan<ptan（p0）cosacosa0-cosa,=0X=[4“,tane,tan(pr所以，最小穩(wěn)性計(jì)算可歸納為一個(gè)有三個(gè)變量及兩個(gè)等式約束的最優(yōu)化問題。對(duì)于該最優(yōu)化問題，通過引入拉格朗日乘數(shù)將該問題化為無約束極值問題，可以得到計(jì)算r（J??tan9,tan（p）的極值點(diǎn)的方程組：gi(X)=V-Yv-Vo=OE.(2-16)+tan(ptan0o)=Ojgz(X)=(1+tanOtanOo+tan(ptan(.(2-16)+tan(ptan0o)=Ojg3(X)=Mx：(tan(p-tan(p0)-A/(tan0-tan0o)-Mn(tan0tan(p0采用與2.5節(jié)中相似的逐次線性化方法求解上述方程組，即血（左）詼1(%)夠(%)叫Og2(%)dcLdtanOadtanOdtan(pdtan(p■■Sdmk'5tan0k+gi(^m*3ane*,tan(p*)_|.g(d,tan0,tan(p)=02mk k kJ_g3(4"*，tan”,tanq\)」(2-17).（*）加（元）LM, atan。相應(yīng)的Jacobi矩陣同為:改式尤）3tan（p5tan(pA

s syf sxfcosacosa[tan0-tan0cos2a-cosacosa[tan(p-tan(pcos2a1(1+tanGtan0o+tan(plan(p0)] (1+tan0tan0()+tan(plan(p0)]/d(tan(pTan(Po)-&(tane /^(tan(p-tan(po)-/lf(tanOS)^(tan(p-tan(p0)- -tan0)-(/ tan(p -tanO)-(1tan(p+7tan0SXf(tane-tan0o)- 0xF 球 0首 球—幽懈廣S,幅那冊(cè)(2-18)求解方程組（2/7）的意義在于：對(duì)于給定的一系列橫傾角e的值，在預(yù)先給定的精度要求下，滿足傾斜船舶的功為最小值相對(duì)應(yīng)的一系列平均吃水和縱傾角中值，從而可以按下式求得總復(fù)原力臂和動(dòng)穩(wěn)性臂的值，其中劭為船舶傾斜前在初始平衡位置時(shí)的重心和浮心之間的垂向距離。L=COS0C{AT2(l+tan20)+AT2(1+tan2(p)+(tan26+tan2(p)(2-19)(2-20)V片(2-19)(2-20)yzMxxtan(p+ tanG-My-zM,-tanGtancp))12

cosOC—tan(p+Mtan0—M~)—a2.6.3自由液面對(duì)穩(wěn)性的影響穩(wěn)性的好壞受多種因素的影響，其中液體艙柜中存在的自由液面的影響是一個(gè)不可忽視的因素口加］自由液面是指船舶的液體艙柜中裝有液體但未滿艙時(shí)的液面〔⑵。由于該液面隨著船舶的橫傾而向橫傾側(cè)自由流動(dòng)，故稱自由液面。它對(duì)船舶穩(wěn)性的影響由圖2-8可知，當(dāng)船舶發(fā)生橫傾后，艙內(nèi)液體發(fā)生移動(dòng)，液體的重心由G變?yōu)镚',根據(jù)合力矩定理和平行力移動(dòng)原理，船舶的總重心也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化。變化的結(jié)果就是船舶受到一個(gè)橫傾力矩的作用使穩(wěn)性力矩減小，同時(shí)重心升高，穩(wěn)性降低。由此可以得出結(jié)論，自由液面的存在使船舶的穩(wěn)性降低。根據(jù)IMO對(duì)船舶穩(wěn)性的要求，在計(jì)算和校核船舶的穩(wěn)性時(shí)必須進(jìn)行自由液面的修正。Figure2-8InfluenceofFreeSurfacetoStability對(duì)于直壁形艙柜，船舶發(fā)生傾斜時(shí)，自由液面面積增加，是原液面面積的//tos。倍（，為船舶傾角），液面面積慣性矩是原來的l/（cos0）3倍。液面傾角不超過15。時(shí)面積慣性矩的增加值不超過10%,故小角度傾斜應(yīng)以15。為界。對(duì)于斜艙壁而言，內(nèi)部液面隨傾角的增加將顯著增加（或減?。?，其增加（或減?。┧俣热Q于艙壁的斜度，斜度越大增加（或者減?。┧俣仍娇臁?duì)于一般的斜艙壁來說，小角度傾斜應(yīng)該以10。為界。2.6.3.1自由液面對(duì)初穩(wěn)性的影響假定艙內(nèi)液面在傾斜時(shí)上不觸艙頂，下不露艙底，即自由液面在艙內(nèi)傾斜時(shí)液面的形狀不改變，始終保持一種形狀。在這種情況下，自由液面對(duì)船舶初穩(wěn)性高度的影響值可按下式計(jì)算：5GA/=￡^A=XP4（⑼ （2-21）△△式中：MiJs——第i個(gè)液體艙柜內(nèi)自由液面產(chǎn)生的橫傾力矩，（;加）；p,.——第i個(gè)液體艙柜內(nèi)液體的密度，（g/cm3）；ix——第i個(gè)液體艙柜內(nèi)自由液面的面積對(duì)其傾斜軸線的慣性矩，（掰）;24

△——船舶的排水量，⑺。所以，在考慮進(jìn)自由液面對(duì)初穩(wěn)性高的影響后，傾斜船舶的初穩(wěn)性高為(2-22)GM'=GM-6GM(2-22)2.6.3.2自由液面對(duì)大傾角穩(wěn)性的影響當(dāng)船內(nèi)液體艙中存在自由液面時(shí)，艙內(nèi)液體將隨船舶的傾斜而移動(dòng)，因而對(duì)于靜穩(wěn)性曲線有一定影響。如圖2-9所示，船舶在正浮時(shí)艙內(nèi)液體的表面為重心位于g點(diǎn)。當(dāng)船舶橫傾8角后，艙內(nèi)液體向傾斜一側(cè)移動(dòng)，液面為〃，重心自g點(diǎn)移至g/點(diǎn)，移動(dòng)的橫向距離為乃因此產(chǎn)生了一個(gè)傾斜力矩MH=(^Vy (2-23)式中：V——艙內(nèi)液體的體積；?——艙內(nèi)液體的重量密度。圖2-9圖2-9艙內(nèi)的自由液面Figure2-9TheFreeSurfaceofShip設(shè)船舶原來的復(fù)原力矩為Mr=H,現(xiàn)在由于自由液面的影響，故船舶的實(shí)際復(fù)原力矩M=2-M=A(/-M/A)=A(/-8/) (2-24)R H H式中3/=M//A=g夕/△為自由液面對(duì)靜穩(wěn)性臂的影響。2.7 傾斜水線下船體和淹水艙要素為了對(duì)船舶的浮態(tài)以及穩(wěn)性進(jìn)行求解，需要首先計(jì)算得到船舶傾斜后的傾斜水線面面積、漂心坐標(biāo)、浮心坐標(biāo)、水線面對(duì)過浮心軸的慣性矩、排水體積、淹水艙體積等。本節(jié)著重對(duì)這些參數(shù)的計(jì)算作論述。基于數(shù)字型值表的船體及淹水艙定義因?yàn)榇w型線和艙室型線是由一組離散點(diǎn)按順序依次連接成的封閉曲折線，所以對(duì)它的計(jì)算有很多方法。文獻(xiàn)［13］提出了一種使用Green公式計(jì)算船舶傾斜水線下的船體及淹水艙要素的方法。根據(jù)Green公式，可將平面區(qū)域的二重積分轉(zhuǎn)化為沿區(qū)域邊界的曲線積分。然后將這組離散點(diǎn)作為節(jié)點(diǎn)作適當(dāng)?shù)那蠛瓦\(yùn)算即可得到曲線積分的近似值，即用線段代替曲線，進(jìn)而得到傾斜水線下船體及淹水艙要素。這種對(duì)船體及淹水艙要素計(jì)算的方法比較簡(jiǎn)便，用節(jié)點(diǎn)上數(shù)值的求和運(yùn)算代替曲線積分。這種方法在型值點(diǎn)密集的時(shí)候是比較準(zhǔn)確的，但是在型值點(diǎn)比較稀疏的時(shí)候這種方法就顯得不那么準(zhǔn)確了。為了使得計(jì)算結(jié)果更加的準(zhǔn)確，論文采用了一種比較準(zhǔn)確的方法，即首先將離散型值點(diǎn)使用累加弦長(zhǎng)三次樣條函數(shù)擬合，然后根據(jù)擬合后的樣條函數(shù)使用閉曲線樣條積分的方法計(jì)算傾斜水線下的船體和淹水艙要素。這種方法較Green公式法更為準(zhǔn)確。累加弦長(zhǎng)三次參數(shù)樣條【用是由三次樣條發(fā)展而來的一種樣條類型，由于實(shí)際問題中經(jīng)常遇到大撓度曲線，這時(shí)二階導(dǎo)數(shù)與曲率有相當(dāng)大偏差，用三次樣條函數(shù)對(duì)大撓度曲線進(jìn)行插值計(jì)算與實(shí)際情況將有很大差距，累加弦長(zhǎng)三次參數(shù)樣條的出現(xiàn)為解決這類問題提供了途徑。設(shè)有〃個(gè)控制點(diǎn)Pi(xi.yi),i=l,2,...,no我們知道三次參數(shù)樣條曲線可用一個(gè)三次多項(xiàng)式來表示。設(shè)參騫量為f,貝(在區(qū)間［0,f］上的三次參數(shù)樣條曲線可表示為：()(00) 2 3 (2-25)Pt=xt,yt=B］+B2t+B3t+B4t,0<?</?z=1,2,其中第i段弦長(zhǎng)為/=\PPi=Kx-x)3+(y-y)2,取參數(shù)軸t的分割△?.CO<to<t/<......<t"),其中：4=￡//,(i=l,2,…,〃)，，軸上的每個(gè)節(jié)點(diǎn)具有累加弦長(zhǎng)7=126的幾何意義。對(duì)于這個(gè)分割A(yù),分別以X,?和％(i=l,2,….n)為插值函數(shù)，構(gòu)造兩個(gè)插值三次函數(shù)必〃和可明然后再把它們合并起來,稱為累加弦長(zhǎng)三次參數(shù)曲線片?！ㄞ痰纳?。這樣，無論伉切平面上曲線撓度如何，在每個(gè)分量所屬的門川和色。平面上都能保證小撓度。累加弦長(zhǎng)三次參數(shù)樣條的連續(xù)方程為*M,_]+2M,+%M,+]=4,G=1,2, —1) (2-26)其中“=_L_，入,=’也&=6eye,.,e,=里上(+(+i 4+4+i (+(+i lt連續(xù)性方程也可用分量形式表示：4 +2MX/.+入M^+i=般 (2-27)其中人=6^^,乩My’t+2My/4-\My/+i=dNi (2-28)其中dyi八-丫川一②丫, =Y+i-丫-6WeY,Z,0給定邊界條件后，就可以求出累加弦長(zhǎng)三次參數(shù)樣條的表達(dá)式。實(shí)際應(yīng)用時(shí)，常采用累加弦長(zhǎng)三次參數(shù)樣條曲線的分量形式：(1)給出控制點(diǎn)Pi(Xi，Yi),(i=0,l,2 ,n)；iVi*ii-l Xi0(2)計(jì)算弦長(zhǎng)/=(x—x)2+(y-y)2,則，=I,f=0,(i=0,l,2,……,n)；J=1(3)根據(jù)實(shí)際情況，確定端點(diǎn)邊界條件(常用自然參數(shù)樣條)：j=0,%=0,d°=0和=0,兀=0,d〃=0;(4)計(jì)算系數(shù)上,入,dxi，d#i，(i=1,2, ,n-l),d=3(入“_幾_”XlM),d=3(入工一九R"Z).x/'* —一 ” '4T'I,,(5)分別求解兩個(gè)分量的連續(xù)性方程組，解出M,(i=o/,2,……,n)；27(6)給出分量計(jì)算式-1000一iI「xf3\61-1),(一4r(2-29)1-1i-1-1000Mxi-\2一心一00.LL-6<6/,一1000'IROT力i-11■/.1L43li6Yi-l?)=□,(一),(/—1I￡Yi(2-30)1-1i-1000Myi-\2.此一00d__L一時(shí)J⑺若需根據(jù)必插出匕，則先根據(jù)迭代求出X/對(duì)應(yīng)的參數(shù)力(8)再根據(jù)參數(shù)〃，代入彳紉式求出X/對(duì)應(yīng)的力值。與一般樣條相比，累加弦長(zhǎng)三次樣條具有以下特點(diǎn):(1)可適用于“大撓度”情況；(2)離散點(diǎn)的局部變化將引起整個(gè)樣條函數(shù)的變化，即“牽一發(fā)動(dòng)全身”;(3)建立的樣條函數(shù)與離散點(diǎn)數(shù)據(jù)順序方向有關(guān)；(4)建立的樣條函數(shù)與坐標(biāo)系有關(guān)；(5)計(jì)算工作量增大，相比普通樣條，幾乎增大一倍以上。2.7.2船體和淹水艙要素的求解排水體積和淹水艙體積的求解使用不等距Simpson法，而各橫剖面處的水線下面積求解即利用上節(jié)所述，首先用累加弦長(zhǎng)三次參數(shù)樣條對(duì)橫剖面的型值點(diǎn)進(jìn)行樣條擬合，然后對(duì)樣條函數(shù)進(jìn)行積分即可得到船舶在傾斜水線下的排水體積[⑸。需要強(qiáng)調(diào)的是，在對(duì)橫剖面型值點(diǎn)進(jìn)行樣條擬合時(shí)，如果每一次傾斜水線改變后都對(duì)水線下的型值點(diǎn)進(jìn)行擬合，則由于每次的點(diǎn)數(shù)不一樣，所以每次的樣條函數(shù)也就不完全一樣。所以論文在計(jì)算時(shí)首先將每一個(gè)橫剖面的所有型值點(diǎn)進(jìn)行樣條擬合，得到一個(gè)統(tǒng)一的樣條函數(shù)，然后再使用傾斜水線對(duì)橫剖面進(jìn)行剪切〔助口7],得到新的閉合曲線點(diǎn)，再插值得到傾斜水線下所有型值點(diǎn)的樣條函數(shù)的系數(shù)，這樣就保證了每個(gè)橫剖面每一次的計(jì)算都是在同一個(gè)樣條函數(shù)下進(jìn)行的，從而使得計(jì)算更為準(zhǔn)確。計(jì)算淹水艙內(nèi)液面高度時(shí)，在進(jìn)水量已知的情況下，需要計(jì)算出對(duì)應(yīng)該時(shí)刻浮態(tài)以及液體體積的液面高度。論文中使用牛頓法對(duì)淹水艙液面高度進(jìn)行求解。對(duì)艙內(nèi)液面進(jìn)行迭代的目標(biāo)是艙內(nèi)傾斜水線下艙室體積匕與淹水艙內(nèi)進(jìn)水體積Q相等，即 對(duì)于/的求解，設(shè)某時(shí)刻/艙內(nèi)液面與船中縱剖面交點(diǎn)高度為Z,V -h h i dk根據(jù)此時(shí)刻船舶浮態(tài)求出艙內(nèi)傾斜液面與艙室型線的交點(diǎn)，然后對(duì)艙內(nèi)傾斜水線下的艙室型值點(diǎn)進(jìn)行樣條擬合，得到閉合參數(shù)樣條曲線，對(duì)該閉合曲線進(jìn)行積分即得到艙內(nèi)傾斜水線下的液體體積/。令/)=憶-。，f\z)=dvIdz，其中dv/&=S，(zhk dk dk kdk kdkhk根據(jù)牛頓法的迭代公式，則《Zd(k+i)=z#- )/f\zdk)=zdk-(yk-Q)/dVk!dzdk=zM+dzdk (2-31)然后繼續(xù)下一步迭代，直到龍＜0.001,則迭代過程終止，得到此時(shí)刻的艙內(nèi)液面高度z,o破損船舶傾斜水線下船體和淹水艙要素的求解流程見圖2-10。對(duì)每個(gè)橫剖面，由交點(diǎn)與水線下的型值點(diǎn)形成封閉,i,/母所有橫剖面的交點(diǎn)逆時(shí)針排序，形成封閉點(diǎn)列圖2-10船體及淹水艙要素計(jì)算流程Figure2-10ProcessofShipHullandDamagedHoldComputation2.8本章小結(jié)本章主要介紹了船舶破艙計(jì)算的相關(guān)內(nèi)容和方法，包括破艙的分類，破艙計(jì)算的基本方法，破艙計(jì)算的坐標(biāo)系和浮態(tài)參數(shù)的選取、破艙浮態(tài)及穩(wěn)性的求解等。最后對(duì)破損船舶船體及淹水艙要素的計(jì)算做了介紹，為進(jìn)行破艙時(shí)域計(jì)算奠定了相關(guān)基礎(chǔ)。3破口處液體流動(dòng)研究概述船舶破損時(shí)破口處液體的流動(dòng)情況對(duì)整個(gè)破損過程至關(guān)重要。以往的計(jì)算僅考慮船舶破損時(shí)艙外海水涌入艙內(nèi)或艙內(nèi)液體流出艙外，很少考慮藏外海水與艙內(nèi)液體的交換情況。本章主要研究了船舶大破口破損時(shí)艙室內(nèi)外液體的交換情況以及液體粘度對(duì)流動(dòng)的影響情況。本章介紹的方法可以更加準(zhǔn)確的得到船舶破損后艙外海水涌入的情況和艙內(nèi)液體外泄的情況，為破損后的救援和海洋環(huán)境的保護(hù)提供依據(jù)。破艙進(jìn)水基本原理破損船舶的實(shí)際進(jìn)水過程是一個(gè)非常復(fù)雜的問題，它包括艙內(nèi)外液體的交換、液體粘度、非水密艙室的浸透崩潰、進(jìn)水時(shí)的空氣壓力等等的復(fù)雜過程。根據(jù)IMOSLF46/INF.3.2003的說明，一般而言，隨著時(shí)間的變化，破損進(jìn)水的過程可以分為如下三個(gè)主要階段：瞬時(shí)進(jìn)水階段，持續(xù)進(jìn)水階段，穩(wěn)定階段〔網(wǎng)。Figure3-1ProcessofFloodinginDamagedShip31瞬時(shí)進(jìn)水過程在破損開口剛剛形成的階段，艙外水通過開口快速涌入艙室，是一個(gè)瞬時(shí)進(jìn)水階段,持續(xù)的時(shí)間一般在幾十秒鐘以內(nèi)。如果開口較大并且位于船的一側(cè)，則瞬時(shí)進(jìn)水會(huì)引起大的瞬時(shí)橫傾力矩，船舶會(huì)快速向破損一側(cè)傾斜，船舶因?yàn)榇怂矔r(shí)載荷可能傾覆。碰撞的壓力、破損的深度和時(shí)長(zhǎng)等等都是很重要的因素，但在數(shù)值處理階段這些重要的外部影響由于難于得知而只能被忽略。國(guó)外所用的模型所考慮的重點(diǎn)一般集中討論艙室的布置，如對(duì)稱與非對(duì)稱、水密與非水密上面。漸進(jìn)進(jìn)水過程在瞬時(shí)進(jìn)水完成后，進(jìn)水過程會(huì)逐漸進(jìn)入漸進(jìn)進(jìn)水并最終達(dá)到穩(wěn)定。這個(gè)過程的持續(xù)時(shí)間可能從幾十分鐘到幾小時(shí)不等。這取決于破損的位置、內(nèi)部艙室的劃分等等。這也是論文所要重點(diǎn)討論的內(nèi)容。在這個(gè)過程中，艙內(nèi)液面連續(xù)的升高。流入液體的壓力還可能造成其他非水密艙壁的損壞從而引起更大的進(jìn)水。另外，在這一過程船舶可能由于進(jìn)水而引起大的橫傾或縱傾，因此在這一階段應(yīng)該采取一些措施來防止這類情況的發(fā)生。另外還應(yīng)考慮自由液面對(duì)船舶造成的影響?？諝鈮毫Φ挠绊懺谶M(jìn)水的過程中，空氣壓力的影響可能也很大，特別是在早期的瞬時(shí)進(jìn)水階段。當(dāng)一個(gè)艙室因破損而導(dǎo)致進(jìn)水后，由于水的涌入，艙內(nèi)的空氣必須逃出艙室。如果進(jìn)水相當(dāng)迅速，則空氣、壓力很容易增大到不能忽視的程度，它也能延緩進(jìn)水過程。如果破損開口較低，當(dāng)艙內(nèi)進(jìn)水高過所有開口之后，空氣不能迅速逃出船艙，容易形成有一定壓力的氣泡。由此，在很多文獻(xiàn)中，探討進(jìn)水的過程時(shí)，氣流和水流是作為兩種不同密度的質(zhì)流一并考慮在內(nèi)的。但是很多船的液貨艙通常接有空氣管，因此艙內(nèi)的空氣壓力在整個(gè)進(jìn)水過程中始終等于大氣壓力。論文在此僅稍作介紹，不做深入討論。本章主要內(nèi)容船舶破損后可能產(chǎn)生大小兩種破口。小破口的計(jì)算比較簡(jiǎn)單，只要根據(jù)伯努利方程求出破口處的流速，然后乘上破口面積即為流量。而大破口的情況就不像小破口那么簡(jiǎn)32單，因?yàn)榇笃瓶谟捎谄瓶诖瓜蚓嚯x較大，破口垂向范圍內(nèi)液體流速并不相同，液體的流動(dòng)方向也不一定一致，故而大破口情形較小破口復(fù)雜得多；而且在大破口情況下由于艙室內(nèi)外都有液體，故而破口內(nèi)外液面高度在破口范圍內(nèi)也會(huì)對(duì)液體流動(dòng)速度和方向造成一定影響。本章就是針對(duì)大破口情況進(jìn)行分析的。破口出流分類船舶破損后，進(jìn)入船艙的水獨(dú)立于船舶而運(yùn)動(dòng)，而又受船舶運(yùn)動(dòng)的影響。通過上文的介紹我們知道船舶破損后快速橫傾只發(fā)生在瞬時(shí)進(jìn)水階段，因此論文不考慮液體涌入時(shí)的抨擊和運(yùn)動(dòng)狀況，并且認(rèn)為艙內(nèi)液面始終與艙外水面保持相平。自由出流和淹沒出流船舶在破損時(shí)破口的位置可能在水面以上，也可能在水面以下；如果艙內(nèi)有液體時(shí)，艙內(nèi)液面也有可能位于破口之上。根據(jù)破口與液面的相對(duì)位置，可以將船舶破損出流情況分為自由出流和淹沒出流兩種。自由出流：以出流的下游條件為衡量標(biāo)準(zhǔn)，如果流體經(jīng)過孔口后出流于大氣中時(shí)，稱為自由出流；淹沒出流：如果出流于充滿液體的空間，則稱為淹沒出流。自由出流和淹沒出流的情況下，孔口處的液體流動(dòng)情況以及內(nèi)外液體交換情況都很不相同，需要進(jìn)一步分析討論。