（交通信息工程及控制专业论文）半潜船操作模拟器视景系统的研究.pdf

中文摘要 摘要 随着全球石油消费快速增长，油价屡创新高，深海油气工程投资方兴未艾， 钻井平台、油气生产设备等相关设备的运输需求快速增长，专业远程海运重型成 套大件的运输船越来越受到航运市场的青睐。全球专业船舶运输队凤毛麟角，具 有装载重大件货物的专业技术人才更是为数不多。由于缺乏相应的培训平台，企 业船员不可避免地在半潜船操作过程中出现一些操作失误，引起较为严重的后果。 为了满足半潜船作业人员学习和培训的需要，有必要在航海模拟器大环境下研发 半潜船仿真系统，半潜船操作模拟器视景系统软件的研制开发就是半潜船仿真系 统中的一个重要的组成部分。 本文以船舶静力学为基础，以v i s u a lc + + 6 0 和o p e n g v s 场景管理软件为开 发平台，研制开发了半潜船操作模拟器应具备的视景系统。本文的主要工作总结 为以下几个方面： 1 以船舶静力学为基础，对现有的静态船舶稳性计算模块进行集成，完善修改了 静态船舶稳性计算模块，实现了半潜船装载重大件货物的过程的动态稳性计算。 2 根据半潜船装载重大件货物的方式，初步研究了半潜船滚动装载重大件货物和 半潜船潜装重大件货物的计算方法，通过对半潜船稳性数据的分析，制定出相应 的压载水调整方案。 3 利用o p e n g v s 场景管理软件，开发了视景显示模块。实现了视点的转移和跟踪， 通过设置在半潜船驾驶台、甲板以及外部的三个虚拟相机，实时动态显示半潜船 各种运动状态。 4 通过实时读取稳性模块计算出来的首尾吃水、船舯左舷吃水、船舯右舷吃水、 纵倾角和横倾角，以及船舶模型得出的航向速度和转首角速度数据，初步实现了 半潜船六自由度运动的视景仿真。 关键字：半潜船；重大件；视景显示；压载水；稳性计算 英文摘要 a b s t r a c t w i t ht h eg l o b a lo i lc o n s u m p t i o ni n c r e a s i n ga n do i lp r i c er u s h i n gt h es u m m i t ， i n v e s t m e n to fd e e p - s e ao i la n dg a sp r o j e c t si sr i s i n g ，s ot h a tt r a n s p o r t a t i o nd e m a n do n r e l a t e de q u i p m e n t si sr a p i d l yg r o w ，s u c ha sd r i l l i n gp l a t f o r m s ，o i la n dg a sp r o d u c t i o n e q u i p m e n t s i ti sp o p u l a rf o rp r o f e s s i o n a ll o n g - d i s t a n c em a r i t i m et r a n s p o r to fh e a v ys e t s o fl a r g ev e s s e l si ns h i p p i n gm a r k e t i ns h i p p i n gm a r k e t ，i tl a c k st h eg l o b a lp r o f e s s i o n a l v e s s e l s ，s p e c i a l l yp r o f e s s i o n a lt e c h n o l o g i c a lw o r k e r s a sar e s u l to fl a c k i n gt r a i n i n g p l a t f o r m ，s e a m e nm a yo p e r a t em i s p l a yd u r i n g t h e m a n i p u l a t i n gp r o c e s s o f s e m i s u b m e r s i b l eh e a v yl i f t ，c a u s i n gs e r i o u sr e s u l t s f o rt h es t u d y i n ga n dt r a i n i n g d e m a n do fs e m i - s u b m e r s i b l ev e s s e l o p e r a t o r s ，i t i s n e c e s s a r y t or e s e a r c h s e m i - s u b m e r s i b l es i m u l a t i o ns y s t e mi nt h en a v i g a t i o ns i m u l a t o rc i r c u m s t a n c e ，t h e v i s u a ls y s t e mo fs e m i s u b m e r s i b l eh e a v yl i f tv e s s e li sa ni m p o r t a n tp a r to ft h ew h o l e s y s t e m b a s i n g o nt h e s h i p p i n gs t a t i c s ，t h e t h e s i sr e a l i z e dt h ev i s u a l i z a t i o no ft h e s e m i s u b m e r s i b l eh e a v yl i f tv e s s e l h a n d l i n gs i m u l a t o ru n d e rt h ev i s u a lc + + a n d o p e n g v s v i s u a l i z a t i o nd e v e l o p m e n te n v i r o n m e n t t h em a i nw o r k so ft h ea r t i c l ec o u l db es u m m a r i z e da st h ef o l l o w i n gf o u rp o i n t s ： 1 b a s i n go nt h es h i p p i n gs t a t i c s ，t h es i m u l a t i o ns o f t w a r ei n t e g r a t e da n da m e n tt h e e x i s t i n gs t a b i l i t ym o d u l e ，a n dr e a l i z e dd y n a m i cs t a b i l i t yc a l c u l a t i o nd u r i n gt h ep r o c e s s o fs e m i s u b m e r s i b l eh e a v yl i f tv e s s e ll o a d i n gh e a v yc a r g o 2 i nt e r m so fh e a v yc a r g ol o a d i n gm o d e ，t h et h e s i ss t u d i e dc a l c u l a t i n gm e t h o d a b o u tl o a d i n gh e a v yc a r g ow i t hr o l l i n ga n ds u b m e r s i b l eb yu s i n gs e m i s u b m e r s i b l e h e a v yl i f tv e s s e l s b ya n a l y s i so ft h es t a b i l i t yd a t a ，t h et h e s i sa l s od r e wu pt h e c o r r e s p o n d i n ga d j u s t m e n to f b a l l a s tw a t e r 3 b ym a k i n gu s eo fo p e n o v sv i s u a l i z a t i o nd e v e l o p m e n te n v i r o n m e n t ，t h et h e s i s e x p l o i t e dt h ev i s u a l i z a t i o no fs e m i - s u b m e r s i b l eh e a v yl i f tv e s s e lh a n d l i n gs i m u l a t o r t h et h e s i sr e a l i z e dt h ev i s u a lt r a n s f e ra n dt r a c k ，a n dm o u n t e dt h r e ec a m e r a si no r d e rt o d i s p l a yt h es e m i - s u b m e r s i b l eh e a v yl i f tv e s s e ls t a t ef r o mt h en a v i g a t i o nc a b i n 、c a r g o d e c ka n do u t s i d eo fi t 英文摘要 4 t h et h e s i sr e a l i z e da l lk i n d so fs t a t u so nv e s s e lb yr e a d i n gt h es t a b i l i t ym o d u l e p a r a m e t e r s ，s u c h a sh e a dd r a f t 、s t e md r a f t 、m e a nd r a f ta n dt h e s h i pm o d e l p a r a m e t e r s ，s u c ha sc o u r s ea n dr o t a t i o no ft u r n i n go fs h i ph e a d i n g k e yw o r d s ：s e m i s u b m e r s i b l eh e a v yl i f tv e s s e l ；h e a v yc a r g o ；s c e n ed i s p l a y ； b a l l a s tw a t e r ；s t a b i l i t yc a l c u l a t i o n 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果， 撰写成硕士学位论文：兰潜墼握佳撞型墨塑量丕统数硒塞：。除论文中已经注明引 用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表或未公 开发表的成果。本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名：蘸整壹奎 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解大连海事大学有关保留、使用研究生学 位论文的规定，即：大连海事大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论 文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将本 学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编学位论文。同意将本学位论文收录到中国优秀博硕士 学位论文全文数据库( 中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社) 、中国学位论 文全文数据库( 中国科学技术信息研究所) 等数据库中，并以电子出版物形式 出版发行和提供信息服务。保密的论文在解密后遵守此规定。 本学位论文属于：保密口在年解密后适用本授权书。 不保密口( 请在以上方框内打“ ) 论文作者签名：廉静静导师签名： 日期：幻妙年移月谚日 半潜船操作模拟器视景系统的研究 第1 章绪论 1 1 课题的研究背景 上世纪7 0 年代以来，国际杂货的结构发生了极大的变化，如机械化工设备、 大型车辆、大型工业结构件等日益增多，随后又逐渐出现超大型货物、整体构件、 大型工业模块如海洋石油钻井平台、海上旅馆等这类货物，其重量、体积等都远 远超出传统杂货船的结构和技术规范。半潜船的出现，有效地解决了这些超大型 特殊设备、特重特长等巨型货物海上运输的难题，弥补了航运业特种货物海上运 输的空白，并逐渐形成了与散装船、集装箱船相提并论的细分市场。 半潜船，它被造船界称为新型船舶，它不仅集中了叉装船、浮船、潜艇的特点， 而且还具备自航能力。半潜船常称为半潜式母船，在船尾设有两个可移动的尾浮 箱，其作用是当半潜船下潜时保持平衡。半潜船可以通过压载水的调整，把装货甲 板潜入水中，以便将所要承运的特定货物( 如驳船、游艇、舰船、钻井平台等) 从指 定位置移到半潜船的装货甲板上，将货物运到指定位置【l 】。这种装卸方式的特点对 于一些超大型的石油平台、船体分段等货物的运输对比与吊装来讲安全性更高， 可以减少货物体积大小的限制。半潜船可以运送海上的大型或超重型浮动重物，如 海上石油钻井平台、无动力的船舶等等。目前，世界上只有少数国家和地区具备半 潜船的设计和建造能力，如荷兰和挪威，其中荷兰d o c k w i s e 公司( 荷兰到克怀斯 重大件海运有限公司) 的半潜船系列以及挪威b o ao f f s h o r ea s 公司的半潜驳 系列都是具有代表性的半潜船系列。全球最大的半潜船专业运输公式d o c k w i s e 近来频频出击，通过并购和i p o 来确保自己的市场寡头地位，2 0 0 7 年d o c k w i s e 成功并购s e a l i f t 公司，仅此一项就获得六艘半潜船，之后又成功收购o k i 和 o d l ，更是进一步增加了船队的实力【3 】。全球半潜船的数量近几年发展很快，已经 达到了三十多艘，并且大部分都集中在荷兰的d o c k w i s e 公司，截止到2 0 0 7 年1 2 月，d o c k w i s e 公司具有十八艘半潜船【2 】。相比于世界，中国的特种船运输起步晚， 但是发展快。中国拥有的第一艘运输超大型货物的半潜船，是1 8 万吨的“泰安 口 轮半潜船，该船于2 0 0 2 年1 2 月正式投入使用，它填补了中国半潜船建造史 第l 章绪论 上的空白。广州远洋运输公司旗下的中远航运如今已是世界特种船舶领域中的佼 佼者，其所拥有的两艘半潜船“泰安口 轮和“康盛口 轮，科技含量之高，技 术水平之先进已入世界一流，被业内誉为“亚洲第一船 【3 】。 近年来，随着国际油价不断攀升，深海油气工程蓬勃发展，同时，目前世界 大多数海洋石油钻井平台正处于保修期，需要半潜船将它们搬运到船厂，另外， 更换石油钻井平台位置而需要移动石油钻井平台时，也经常需要用半潜船搬运， 可见半潜船市场需求将呈现强劲增长态势【4 】。半潜船具有极高的经济效益，据称几 个航次就可以赚回成本。在2 0 0 8 年下半年航运业出现显著下滑之后，航运业现在 的估值已反映了世界经济衰退和亚洲国家需求萎缩的情况，同时由于金融风暴肆 虐全球，目前航运业的需求还没有任何复苏的迹象，2 0 0 9 年航运业仍将在低谷徘 徊，然而，在全球航运业集体陷入低潮的情况下，特种船运输业务发展势头依然 迅猛，特种船运输业务所创利润比例不断提高。中远航运从2 0 0 2 年开始，以建造 两艘2 万吨级半潜船为契机，逐步进入海上工程设备专业运输领域，迅速发展成 为国际半潜船运输市场的一支重要力量。为满足快速增长的市场需求，参与大型 深海油田设备运输的市场竞争，中远航运经过充分的市场调研和船型设计之后， 于2 0 0 7 年1 0 月3 0 日与广船国际签订了两艘5 万吨新型半潜船建造合同。由广州 广船国际股份有限公司承接合同，承担详细技术设计、设备订货及交船责任；广 州中船黄埔造船有限公司承担施工技术设计、材料订货及船舶建造责任；上海船 舶研究设计院和d e l t am a r i n e 公司承担船舶设计工作；按照c c s 和d n v 船 级社相关规范建造【5 】。此类船舶的研制成功，对国民经济发展，国防建设将起到积 极的推动作用，带动海洋资源的开发和海洋工程等相关工业的发展，提高我国造 船业的知名度以及高技术含量，高附加值船舶的开发能力，为赶超世界先进造船 技术水平奠定坚实的基础。 1 2 国内外研究现状 目前，有关半潜船的关键性技术资料和研究报告很少，包括中国船级社在内 的各船级社也很少有过此类船的审图业绩。2 0 0 2 年我国第一艘半潜船“泰安口 半潜船操作模拟器视景系统的研究 轮试水成功前后，华中科技大学交通学院的蔡睿眸、杨定邦在广东造船【4 】曾发 表文章，总结了半潜船“泰安口 开发研制过程，以及所遇到的关键技术和解决对 策广州国际船舶研究所、上海船舶研究设计院等单位在广船科技【6 】、船舶 设计通讯【9 】等期刊相继发表了五六篇文章，均是对半潜船“泰安口”的特点及其 概括作了简介。 国内外开展视景系统研究的高校包括北京大学、航天航空大学、浙江大学等， 但是关于半潜船视景系统的关键技术和研究报告却很少。 现代航海模拟器经历三十余年的发展，经历了从简单到复杂，从单一到综合 的发展过程。航海模拟器现已经广泛应用于航海教育与培训，相关领域工程论证 和科学研究中，航海模拟器的发展受到相关条约的制约。2 0 0 7 年1 0 月，国际著名 船级社挪威船级社( d n v ) 对航海模拟器系统认证标准进行了修改，新增加了溢油、 遥控船只、移动近岸平台等特种作业模拟器，在航海模拟器中添加半潜船操作模 拟器势在必行。半潜船操作模拟器视景系统是一套实时计算机网络系统，它为现场 操作人员实时提供操作过程的虚拟景象，可以使现场操作人员利用仿真系统提供 的仿真设备和三维视景，实现半潜船作业过程的仿真，从而增强系统的培训效果。 大连海事大学航海动态仿真与控制实验室，张显库老师已完成了半潜船航海模拟 器的压载水系统仿真的开发【1 0 1 ，张秀凤老师已实现半潜船数学模型解算的研究，0 6 级硕士研究生崔红旭对半潜船作业仿真过程进行了一定的研究，初步实现了对静 态船舶稳性计算的研剔】。到目前为止，航海模拟器中尚没有实现对半潜船模型及 其作业过程的视景显示。 1 3 课题的研究内容和意义 半潜船操作模拟器仿真系统主要由用户控制人机交互模块、稳性及强度的实 时计算模块、视景显示模块、船舶运动数学解算模块等四个部分组成。各个模块 具体功能如下： ( 1 ) 用户控制人机交互界面：采用文本方式读取数据，与稳性计算模块通信， 将5 5 个压载水舱的水量实时地传送给稳性计算模块； 第1 章绪论 ( 2 ) 稳性及强度的实时计算模块：从用户控制界面获得数据，进行稳性、强 度等的实时计算； ( 3 ) 船舶数学模型解算模块：实时计算船舶的运动参数，并将船舶位置和航 向速度等数据传递给视景显示模块： ( 4 ) 视景显示模块：实时读取船舶运动数学模型提供的船舶位置、航向速度 等数据以及船舶稳性计算模块提供的船舶前后吃水、纵倾角、横倾角等数据，实 现对半潜船操作过程系统的三维视景显示。 图1 1 可以更为直观的显示半潜船操作模拟器几个模块间的关系，以及本课 题需要完成的工作。 图1 1 半潜船操作模拟器几个模块间的关系 f i g 1 1s e v e r a lm o d e l sr e l a t i o no fs e m i s u b m e r g e ds h i pm a n i p u l a t i o ns i m u l a t o r s t c w 7 8 9 5 公约第b v 3 节制定了关于特殊操作性能船舶的船长和大副需要 有附加培训的文件，也就是说船长或者大副在具有特殊操作和操作性能的船舶上 任职之前，需要有相应的经验和培训，但是，就目前航海模拟器尚未达到该要求， 其需要进一步的完善。本课题通过实现对半潜船操作模拟器视景系统的仿真，在 航海模拟器添加了海上特种船，使得航海模拟器功能更加完善化，培训更加多样 半潜船操作模拟器视景系统的研究 化。另外，由于重大件自身的特点是重量大，体积大，外观尺寸不规则，重大件 的这些特点决定了其运输需要特殊的货运技术与特殊专业化人才，当前市场重大 件货物转业人才奇缺，其中包括经验丰富的重型超大件设备的专业装卸工人，重 型超大件运输船的专业船员和有关技工，这也造成了在重大件装卸和运输中的大 量事故。因此，该仿真软件的研制，也可以满足企业培训船员的迫切要求，提高 船员驾驶特种船的航海技能，使得船员尽快适应新的航海技术的要求，减少由于 重大件装卸和运输引起的海上事故，避免人员伤亡，有效的降低财产损失。 1 4 论文内容的组织和安排 本文各章安排如下： 第1 章介绍了本课题的选题背景，分析了半潜船操作模拟器视景系统的国内 外的研究现状，并阐述研制开发半潜船操作模拟器视景系统的研究内容和现实意 义。 第2 章首先对半潜船装载重大件货物的所涉及的问题进行初步的探讨，主要 以理论力学和流体力学为基础，介绍半潜船装载重大件货物的稳性的计算，同时， 介绍了半潜船这种特种船舶的特殊稳性衡准。 第3 章介绍了半潜船装载重大件货物的两种方式，以及在这两种装卸方式下 所采用的计算方法，根据半潜船装载重大件货物和装载方式的不同，初步研究了 相应的压载水调整原则与方法。 第4 章主要介绍半潜船操作模拟器视景系统实现的一些关键技术，并总结了 相关技术的解决方案。 第5 章主要介绍了半潜船操作模拟器视景系统仿真的设计与实现，以及该模 块与用户控制人机交互界面的压载水控制仿真系统的数据交换。 第6 章对本论文所研究的内容作了总结与展望，并提出需要进一步研究的课 题。 第2 章半潜船装载重大件货物的稳性计算基础 第2 章半潜船装载重大件货物的稳性计算基础 本章首先介绍重大件货物，在对重大件货物有较为科学的认识后，对装载重 大件货物的所涉及的问题进行初步的探讨。在此基础上，介绍半潜船船舶稳性衡 准，以及计算半潜船装载重大件货物的稳性理论知识。 2 1 重大件货物 重大件货物具有超大、超重、形状不规则等特点，普通的集装箱船及散货船 难以承担运输任务，只有具备特殊载货能力的特种船舶才能完成该类货物的运输 任务，半潜船符合市场的需求，应运而生。 2 1 1 重大件货物的定义 各国都规定有海运重大件货物的标准。我国规定，国际航运中凡重量超过5 t 或单件长度超过9 m 的货物，沿海运输中凡单件重量超过3 t 或单件长度超过1 2 m 的货物，均属于重大件货物砌。按国际标准规定，凡单件重量超过4 0 t 为超重件： 单件长度超过1 2 m 为超长件货：单件高度或宽度超过3 m 为超高或超宽件货物。另 外，我国船级社、海事局、各海运公司对此做出了各自不同的规定，综合各方面 的因素，一般认为在确定件货物是否属于重大件时，至少应考虑下述几方面要素： ( 1 ) 货物自身方面 长度、宽度、高度、体积、重量、自身的装载和积载困难程度，给装卸、运 输和管理带来额外负担，应给予特别关注的货件应作为重大件对待； ( 2 ) 船舶尺度方面 大船的可载货件较大，应作为重大件对待的货件较大；小船可载货件较小， 应作为重大件对待的货件较小： ( 3 ) 航线和港口设施方面 风、流、浪和其它气象现象，装卸设备等港口设施，对重大件尺度的大小具 有影响。恶劣天气状况下，应作为重大件的货物尺度较小；若在某港口，装卸设 备装卸某货件存在困难，则该货件在该港口应视为重大件货物对待。 半潜船操作模拟器视景系统的研究 2 1 2 重大件货物的分类 在国际海上运输中，重大件可分为以下几类3 5 】： ( 1 ) 一般意义上的重件 系指车辆( 公路车辆、拖车) 、铁路货运车、平台、托盘、可移动罐柜、中型 散装容器、包装组件、组成货件和重质货件等； ( 2 ) 标准化重件 系指船运集装箱； ( 3 ) 令宗货( n e o b u l k ) 系指木材和钢材等单一货种，且无法将其归入散货杂货的货物； ( 4 ) 无动力船上的货件 系指装载于无动力拖带项推驳船上的货件； ( 5 ) 用特别方法进行校核的货件 此种货件重量和尺寸均较一般重件大得多，主要指海洋工程结构物和集装箱 吊车等货件。 2 1 3 重大件运输船分类 国际上用于运输重大件的船舶有以下三种船舶：普通货船、驳船和专用重件运 输船，以下简要介绍一下这三种船舶【3 5 】： 运输重大件货物的普通货船包括：杂货船、散货船、滚装船、多用途船等可 运载一般重件的船舶：驳船指无动力的项推托带驳船；而集装箱吊车一般都是通 过专用运输船来运输，运输集装箱吊车的专用运输船包括重吊船、整机运输船以 及半潜船。下面介绍这三种专用运输船的特点： ( 1 ) 重吊船 重吊船( h e a v y - l i l ts h i p ) 是一种经过特别设计并能够装卸重大件货物的船舶。重 吊船一般舱盖为连体设计，可视为通长甲板装载货件，这种舱盖布置，使得重吊 船可以在主甲板上装载集装箱吊车，某些重吊船还可以在船舶两舷侧增设外漂式 甲板( f l yd e c k ) 以拓宽装货甲板。 ( 2 ) 整机运输船 第2 章半潜船装载重人件货物的稳性计算基础 整机运输船的最大特点是具有载货面积较大的通长甲板和能力较强的压载系 统是一种主要从事集装箱吊车运输的船舶。 ( 3 ) 半潜船 半潜船也称半潜式母船，在装卸时，它通过本身压载水的调整，使装货甲板 潜入水中，装货甲板最高处低于特定浮式货物组合体的最大吃水后，货物就可以 利用自身动力或拖拽协助，直接浮到半潜船的装货甲板上方。这时半潜船再排出 压载水，船体上浮，货物便可以直接落在装货甲板上，从而实现货物的装载。卸 货的步骤与装货相反。 2 2 重大件货物运输考虑的因素 在确定了重大件货物运输任务时，需要从以下几个方面准备和计划： ( 1 ) 天气和海况要适合装卸作业【2 6 1 。一般选择较好的天气和海况，风力一般不 大于5 级，轻浪或者微浪。当出现大雾天气，能见度小于l o o m ；下大雨，影响作 业安全或者能见度小于l o o m ；风力大于5 级；海浪使得船舶上下落差大于2 0 e m 时，为了避免海上事故，减少财产损失，要停止重大件货物装卸作业。 ( 2 ) 根据装载情况，事先做好压载水调整计划，使半潜船在装载重大件货物过 程中，始终满足纵倾和稳性要求。重大件货物装载完毕剧2 6 1 ，不但使半潜船能够 满足稳性的要求，而且通过调整压载水能有一个合理的吃水差。在调整压载水时， 应注意尽量减小自由液面的影响。 ( 3 ) 根据重大件货物的不同，选择不同的重大件货物的装卸方式，即滚动装卸 或者潜浮装卸。确定滚动装卸时，要选择纵向装卸或者横向装卸。 ( 4 ) 考虑半潜船在确定航线上的稳性，在运输重大件货物时，半潜船稳性是至 关重要的。在海上运输若稳性不足，运输重大件，特别是运输超高件时，船舶一 旦失去稳性，后果将不堪设想。 ( 5 ) 重大件货物的系固绑扎方案。重大件货物装载厚的系固绑扎是确保运输安 全的重要措施。半潜船装载重大件货物时，重大件货物与甲板一般是以焊接方式 相连的，而联接的强度需要进行校核，一般是根据在船模实验中测定的船舶以不 半潜船操作模拟器视景系统的研究 同稳性高在波浪中运动响应，结合船舶的实际装载情况以及特定的航线最危险的 海况进行校核计算的，由于货物可能每次都不一样，决定了这种计算每航次都需 要进行，这是与一般船舶不同的地方。 ( 6 ) 考虑装卸港的码头水文、地理条件。对于一些大港，航道不足为虑，但是 对于一些小港或者内河港的航道就要注意了，必须清楚了解航道的水深、流向、 流速以及浅点情况，港池内的水深、宽敞度以及风流情况。对于超高件还要考虑 到航线上的大桥以及高压线的情况。 2 3 半潜船船舶稳性衡准 2 3 1 基于i m 0a 7 4 9 ( 1 8 ) 条款的船舶稳性衡准 1 9 9 3 年第18 届国际海事组织大会通过的蹦o 关于适合各种类型船舶的完 整稳性规则( 即a 7 4 9 ( 1 8 ) 决议) 对各种类型的船舶的完整稳性要求的建议包括 了两方面的要求：第一方面是对静稳性曲线特征所作的要求；第二方面是天气衡 准，即对动稳性所作的要求。 一、静稳性曲线特征衡准 静稳性曲线( c u r v eo fs t a t i cs t a b i l i t y ) 是描述某一船舶在特定装载状态下的静稳 性力矩( 或静稳性力臂) 和横倾角关系的曲线。a 7 4 9 ( 1 8 ) 决议完整稳性第一方面 对船舶静稳性特征提出的衡准要求主要有以下6 点： ( 1 ) 初稳性高度g m ( 经过自由液面的修正) 不小于0 1 5 m ； ( 2 ) 静稳性力臂曲线在横倾角0 。 - 3 0 。之间所围的面积不小于0 0 5 5 m r a d ； ( 3 ) 静稳性力臂曲线在横倾角0 。- - - 4 0 。或进水角中较小者之间所围的面积不 小于0 0 9 0 m r a d ： ( 4 ) 静稳性力臂曲线在横倾角3 0 。4 0 。或进水角中较小者之间所围的面积不 小于0 0 3 0 m r a d ； ( 5 ) 横倾角在3 0 。及以上时的静稳性力臂不小于0 2 0 m 。 第2 章半满船装载重大件货物的稳性计算基础 ( 6 ) 最大静稳性力臂所对应的横倾角不小于2 5 。，如果最大静稳性力臂所对应 的横倾角小于2 5 。且大于1 5 。，那么静稳性力臂曲线在此角度下所围的面积不小 于0 0 8 0 m t a d ： 二、天气衡准 完整稳性要求的第二方面主要是考虑了突风和横摇情况的天气衡准。天气衡准 主要是考虑了突风和横摇的情况【2 0 1 ，其中：船舶受到稳定的正横风的压力，其方 向垂直于船舶的纵中剖面，风压倾侧力臂为w ：在静平衡角皖处，假定船舶受 到风浪的作用使船舶朝着风的方向横倾到鼠角，然后假定船舶受到突风( g u s t w i n d ) 的吹袭，突风的横倾力臂为l w 2 ，在此情况下，船舶已计及自由液面影响的 静稳性力臂曲线( g z 曲线) 所围成的面积中，面积b 应大于面积a 。 图2 1 天气衡准 f i g 2 1w e a t h e rc r i t e r i o n 在图2 1 中： 叫稳定风压产生的风压倾侧力臂，产生原因是船受到来自正横方向 风压，其计算方法如公式( 2 1 ) 所示： 叫= o 0 0 1 x p x a x z d i s p ( 2 1 ) 式中，p = 5 1 4k g m 2 ，指单位受风侧面积上的计算风压； 半潜船操作模拟器视景系统的研究 a = 水线以上船体和上层建筑、甲板货件的受风侧面积，单位1 1 1 。船舶的受 风面积分为两类：一类是满实面积船体、舷墙、上层建筑、甲板室、桅室、 甲板机械、桅杆、吊杆、起重机、烟囱、大型通风筒、救生艇、救生筏和救生浮 具等在船的纵中剖面上的侧投影面积；第二类是非满实面积索具、栏杆、格 栅形桁架、天线等在船的纵中剖面上的侧投影面积； z = 面积a 中心到水线下船体侧面积中心的垂直距离或近似取为1 2 吃水的垂 直距离，单位为m ； d i s p = 船舶排水量，单位为t ； 上嵋突风产生的倾侧力臂，其计算方法如公式( 2 2 ) 所示： l 2 1 5 x l w z ( 2 2 ) 酿稳定风压作用下的船舶平衡角； 鼠船舶受到风浪的作用朝向风的方向横摇的角度； 岛- 迸水角研、5 0 。或者包三者中的最小值； 谚突风倾侧力臂的平行直线与静稳性力臂曲线的第二个交点所对应的横 倾角。 如果船舶上装配有抗横摇装置，而没有考虑使用这种抗横摇装置对船舶产生 的影响时，对于横摇角鼠的计算方法如公式( 2 3 ) 所示： b = 1 0 9 x k x x lx x 2x ( r x s ) “2 ( 2 3 ) 其中，参数k 的取值方法如下： k = 1 0 ，时为圆形舱底的具有舭龙骨( b i l g ek e e l ) 的船舶； = 0 7 ，尖型舱底的船舶； = 具有舭龙骨或方型龙骨( b a rk e e l ) 其中之一或是两者均有的船舶，可以 根据表2 1 计算得出： 第2 章半潜船装载重大件货物的稳性计算基础 表2 1 参数k 的查取 t a b 2 1c a l c u l a t i n gt h ep a r a m e t e ro f k 以l o o ( l x b ) 01 01 52 02 53 03 54 o k1 0 50 9 80 9 5o 8 80 7 90 7 40 7 2o 7 0 4 舭龙骨以上船体的侧投影总面积，单位m 2 ； i 胡比龙骨长度，单位m ；( 舭龙骨指的是在船的舭部( 就是船舷和船底 板连接的线型部分) 安装的连续型材，一般方形系数小的船安装，用来加强耐 波性和稳性，在设计合理的情况下能够极大的降低横摇和纵摇，但是相应的也 会降低船舶的操纵性。) b - 瑚舶型宽，单位m ； 参数墨根据表2 2 计算得出： 表2 2 参数五的查取 t a b 2 2c a l c u l a t i n gt h ep a r a m e t e ro fx 、 b m盟42 52 62 72 82 93 03 13 23 33 4驾5 墨 1 oo 9 8o 9 6o 9 5o 9 30 9 1o 9 0o 8 80 8 60 8 4o 8 2o 8 0 d 基线以上的船舶平均吃水，单位m ； 参数z 根据表2 3 计算得出： 表2 3 参数x ，的查取 t a b 2 3c a l c u l a t i n gt h ep a r a m e t e ro fx 2 g 0 4 5o 5 0o 5 5o 6 00 6 50 7 0 x z 0 7 5o 8 20 8 9o 9 5o 9 71 o g 船舶方型系数； 参数r 的计算方法如公式所示： r = 0 7 3 + 0 6 x o g d( 2 4 ) 半潜船操作模拟器视景系统的研究 o 卜船舶重心距水线的高度，单位m ，重心在水线上取正值，重心在水 线下取负值。 参数s 根据表2 4 计算得出： 表2 4 参数s 的查取 t a b 2 4c a l c u l a t i n gt h ep a r a m e t e ro f s t6781 21 41 61 82 0 s0 1 0 00 0 9 80 0 9 30 0 6 50 0 5 30 0 4 40 0 3 8 0 0 3 5 t - _ 船舶的横摇固有周期，是指船舶横摇一个全摆程所需的时间，单位s ， 其计算方法如公式所示： t = 2 x c x b g m o 2 ( 2 5 ) 式中c 求取公式所示： c = 0 3 7 3 + o 0 2 3 ( 召肠) - - 0 0 4 3 ( l s 10 0 )( 2 6 ) 在式中：l s 船舶水线长度，单位为m ； a 所校核装载情况下船舶计及自由液面修正的初稳性高度，单位为m ； 2 3 2 下潜和起浮过程中的半潜船船舶特殊稳性衡准 除应符合前述各项规定外，对于半潜式船舶，在其下潜和起浮过程中对其稳 性还有特殊的要求，这些要求应遵循以下准则： 在平静且风速不超过蒲氏3 级水域，经自由液面影响修正后的g m7 ： ( 1 ) 船舶下潜开始时g m i o o m ： ( 2 ) 船舶下潜到最大吃水时o 5 0 m ； ( 3 ) 当主甲板刚好下潜或上浮到水面时g m 0 0 5 m ； 在港内或遮蔽水域风速不超过蒲氏6 级，最大波高不超过o 5 m ，或开放水域 风速不超过蒲氏4 级且最大波高不超过1 o m ，经自由液面影响修正后的g m ： ( 1 ) 船舶下潜开始时g m i 0 0 m ； ( 2 ) 船舶下潜到最大吃水时g m 0 5 0 m ； 第2 章半潜船装载重大件货物的稳性计算基础 ( 3 ) 当主甲板刚好下潜或上浮到水面时d 畛o 1 5 m ； 2 4 旁台舶稳性 半潜船有下潜、上浮的作业状态，c c s 要求必须提供相应的作业稳性计算。 由于半潜船所装的货物极不规则，因涉及商业秘密，国外设计公司一直以此为借 1 2 不能提供所运输的货物，给稳性计算带来一定的难度【_ 丌。关于半潜船装卸重大件 货物的稳性计算资料，国内外可参考的资料非常有限。在现有的一些期刊和论文 著作中，大部分专家和学者研究的重点都是重大件货物的吊装吊卸，以及重大件 货物的绑扎问题和甲板的局部强度，在一些涉及重大件运输的著作中，只是给出 了计算结果，对运输的计算过程也处于保密状态。 作为运载工具的船舶其最基本的性能是能够漂浮于水面。船舶在一定装载情 况下，具有漂浮在水面上并保持平衡位置的能力称为浮性( b u o y a n c y ) 浮性是关于 船舶自身的重力和浮力的平衡问题。船舶静止漂浮在水面时，根据静力平衡的原 理，重力和浮力必须大小相等，方向相反，并且在同一条垂直线上。在满足船舶 平衡条件下，船舶漂浮在水面上的姿态称为浮态( a f l o a tc o n d i t i o n ) 。船舶的浮态有 四种：正浮( r i g h tf l o a t i n g ) 、横倾( t r a n s v e r s ei n c l i n a t i o n ) 、纵倾( t r i m ) 和横倾加纵倾。 其中正浮状态是船首以及船舯左右舷吃水均相等，它是船的一种最基本的浮态， 通常作为船舶静力计算的初始状态【2 0 1 。 船舶具有浮性仅表明船舶能够漂浮于水面，但是浮性并没有解决船舶在受到 外力作用时，会不会翻掉这样一个关系到船与船员安全的重大问题。外力可以来 自各个方面，比如风和浪对船的作用，由于装载时货物重量左右不对称产生的倾 侧力矩等。船舶在外力作用下偏离其平衡位置( e q u i l i b r i u mp o s i t i o n ) ，而当外力消失 后，船舶自身具有恢复到原来平衡位置的能力称为稳性( s t a b i l i t y ) 。这里所指的平 衡位置通常是指船的正浮位置。由此可见，船舶是否具有稳性是船舶能否适航 ( s e a w o r t h i n e s s ) 的重要条件。因为船舶一般在横向发生倾覆，所以不加特别说明时， 稳性指横稳性。 船舶稳性的问题涉及到两个方面的问题： 半满船操作模拟器视景系统的研究 ( 1 ) 船舶的自身形状、尺度，重量分布，装载货物的性质等各种因素对船舶恢 复能力的影响。 ( 2 ) 外力的性质、作用的方式以及作用的位置等各种因素对船倾覆的影响。 由于稳性问题的复杂性，通常对稳性进行分类研究。按船舶倾斜的方向，可 将稳性分为横稳性( t r a n s v e r s es t a b i l i t y ) 和纵稳性( l o n g i t u d i n a ls t a b i l i t y ) ，横稳性是 指船舶绕纵向轴( x 轴) 横倾时的稳性；纵稳性是指船舶绕横向轴( y 轴) 纵倾时的稳 性。按船舶倾斜角度的大小，可将稳性分为小角度倾斜稳性( i n i t i a ls t a b i l i t y ) 和大角 度倾斜稳性( s t a b i l i t ya tl a r g ea n g l e s ) ，初稳性又称为小倾角稳性，一般倾斜角小于 1 0 。 - - 1 5 。时的稳性，大倾角稳性是指倾斜角大于1 0 。 - 1 5 。时的稳性。船舶的 纵倾一般是小角度倾斜，但是船舶的横向会出现大角度的倾斜。按作用在船上外 力的性质分类，可将稳性分为静稳性和动稳性，静稳性指船舶在倾斜过程中不计 及角加速度和惯性距的稳性。动稳性指船舶在倾斜过程中计及角加速度和惯性距 的稳性。按船体是否破损，可将稳性分为完整稳性和破舱稳性。 船舶稳性在船舶的营运安全中占有极其重要的地位。重大件货物在船舶上的 位置会对船舶稳性产生影响。因此，船舶稳性在一定程度上限制了重大件货物的 装载位置。由于半潜船有下潜、上浮的作业状态及申请“半潜船 的入级符号标 志等，c c s 要求必须提供相应的作业稳性计算【4 】。 2 4 1 船舶初稳性方程 船舶初稳性是以下面两个结论为前提进行研究和表述的。( 1 ) 船舶在微倾条件 下，倾斜轴通过初始水线面的面积中心，即漂心f 。( 2 ) 当排水量一定时，船舶的 稳心m 点为一定点【1 引。 船舶是否具有稳性平衡的状态，取决于其倾斜后是否有稳性力矩。由图2 2 可知，稳性力矩为： m s = d g g z ( 2 7 ) 式中： m s 一稳性力矩； d 一j j 水量； 第2 章半潜船装载重人件货物的稳性计算基础 g 一一重力加速度； g z 一静稳性力臂，是重力w 和浮力d 两作用线之间的垂距。 在微倾条件下，稳性力矩可表示为： m s = o g g m s i n 秒 ( 2 8 ) 式中：g m 初横稳心高度。( i n i t i a lt r a n s v e r s em e t a c e n t r i ch e i g h t ) ，简称为稳性高 度； 口横倾角。 ： k 图2 2 船舶初稳性 f i g 2 2i n i t i a ls t a b i l i t y 式( 2 8 ) 称为初稳性方程式。当船舶重心位于初稳心之下时，g m 取正值，这 时船舶具有稳性力矩；当船舶重心位于初稳心之上时，g m 取负值，这时船舶具有 横倾力矩；当船舶重心与初稳心重合时，g m 值为零，这时船舶处于随遇平衡状态。 一艘船舶具备稳性的必要条件是g m 大于零，船舶在一定的排水量条件下，g m 值 越大，