船舶抗风等级计算

19% 年第 2 期 广 东造船 船舶 抗风等级计算 吴远扬 ( 广东省船舶检验局东莞检验处) 关镶词 : 船舶稳性 风级 一 、 lJR台 目前 , 我国海军舰艇在 “ 战斗技术性能薄 ” 中 , 都标注着舰艇抗风等级 。 但对于民 用船 舶 , 则绝大多数在满足规范要求情况下都没有标注抗风等级 , 因而当遇到船舶技术性能发生 改变(如改装等)致使船舶稳性不尽符合规范要求 , 而又要航行于既定航区时 , 或因航运业务 发展需要延伸航线或改变航区时 , 作为船舶安全航行技术监督部门的船检机构应作如何处 理? 根据 199 3 年 (内河船舶稳性规范)规定 , 当船舶需要航行于较原定为高的航区时 , 应满 足该航区的稳性要求 , 若无法满足又必须通过时 , 应在保证航行安全的条件下 , 从风级或装 载条件等方面给予限制 , 并采取 必 要的措施 。 因此 , 对船舶抗风等级或最大抗风等级的探 讨是非常必要的 。 二 、 蒲氏风级及其应用 风力等级是根据风对地面 (或海面 )物体的影响程度来划分的 。 蒲氏风级是英国人蒲福 于18 05年拟定的 , 19 26年国际气象学会提出第三蒲福风级(表1) , 此风级的风速值是对于 空旷地区(海面 以上 )6m高 、 标准时距1 0 mi n 而测定的 。 阵风或突风风速按下式计算 : 几 = (1 9一1 . 6)v : 风速随距海面高度的变化 , 按赖赫脱曼对数公式确定 : v z = 叽 In z/几 In乙/马 (l) 式中 : v z 距海面 Z米高度处的风速值 , 耐 s; v 海面上 6米高度处的风速值 , 时 :; Z一距海面的高度 , m ; 几 =6m; 几粗糙度特征数 , 取 0 . 00 2m 。 4 广 东造船 1996 年第 2 期 表 1 蒲氏风级表 风风级 级 名称称平 均风速速实风风速速 平均风 压 压突风风压压我国沿海气象台规定风速速 ( ( ( ( ( ( ( m / s () ) ) m / s () ) ) k g/ 衬 ) ) )( k g/Zm ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) 平平平平平平平平均 ( m / s ) ) ) 阵风 ( nt / s ) ) ) 0 0 0 0 0 无风风 0 一 0 . 5 5 5 1 . 0 0 00 0 00 . 1 1 10一0 . 2 2 2 0 . 6 . . . l l l l l 软风 风 0 . 6 一 0 . 7 7 7 3 . 2 2 20 . 2 2 20 . 8 8 80 . 3一 1 . 5 5 53 . 3 3 3 2 2 2 2 2 轻风 风 1 , 8一33 3 36 . 2 2 20 9 9 93 . 1 1 11 . 6一3 . 3 3 36 . 6 6 6 3 3 3 3 3 微风风 3 . 4 一5 . 2 2 29 . 6 6 62 . 2 2 27 . 5 5 53 . 4一 5 . 4 4 410 0 0 4 4 4 4 4 和风风 5 . 3一7 . 4 4 413 . 6 6 6 4 . 5 5 5 l5 5 5 5 . 5 7 . 9 9 9 13 . 9 9 9 5 5 5 5 5 清劲风 风 7 . 5一9 . 8 8 8 17 . 8 8 8 7 . 8 8 825 . 7 7 7 8 . 0 10 . 7 7 718 . 1 1 1 6 6 6 6 6 强风风 9 . 9一12 . 4 4 4 2 2 . 2 2 2 12 5 5 5 40 0 010 . 8 一13 . 8 8 82 2 . 5 5 5 7 7 7 7 7 疾风风 12 . 515 . 2 2 226 . 8 8 8 18 . 8 8 858 . 4 4 4 13 . 917 . 1 1 1 27 . 2 2 2 8 8 8 8 8 大风 风 15 . 3一18 . 2 2 231 。 6 6 627 . 0 0 081 . 3 3 3 17 . 2 一 20 . 7 7 732 . 0 0 0 9 9 9 9 9 烈风 风 18 . 3一21 . 5 5 53 6 . 7 7 737 . 5 5 5109 . 7 7 7 2 0 . 8 一24 . 4 4 4 37 7 7 1 1 10 0 0 狂风风 21 . 6 2 5 . 1 1 142 . 0 0 051 . 1 1 1 143 . 5 5 5 2 4 , 5一28 . 4 4 442 . 6 6 6 l l l1 1 1 攀风风 25 . 2一29 9 9 47 . 5 5 56 8 。 4 4 4 183 . 5 5 528 . 5 3 2 。 6 6 6 48 。 l l l 1 1 12 2 2 咫风 风 2 9 9 953 。 0 0 0 8 9 . 5 5 5229 。 0 0 032 。 7一 36 。 9 9 9 李5 1 . 2 2 2 风压按下式计算 : 。 、 韧 一 平 (2) 式中 : q 风压系数 , 按风洞试验结果求得 , 取q 二1 . 3; p一空气密度 , 取p二0 . 1 2 5掩卜护/m ; V 一 最大平均风速 , 时 s o 19 64年 , 巴黎国际气象学会会议提出第四蒲氏风级 , 该风级风速侧盆标准高度为距海 面1 0m , 标准时距1 0 mi n , 我国沿海气象台即是采用此风级( 见表 1) 。 阵风或突风风速按下式计算 : v a = (1 . 4一3 . 0)V s 风速随距海面高度的变化 , 按下式计算 : (3) z 一 1 0 一一 v z 一v l 0 风压计算同(2 )式 。 对于内河船舶 , (稳性规范)在确定风压值时考虑到气象台以 1 0 m i n 作为风速的标准时 距 , 而实际上某一更 短的时间内风速可能大于10mi n内的平均风速 , 船舶往往是在受突风 作用的一瞬间倾斜甚至倾覆 , 因此风速应计算突风的影响 , 这种影响可用突风度g u来表征 。 突风度是指短时间内的平均风速(突风 )与标准时距 内的平均风速之比 。 表 2 给出不同时距 的突风度 g u 值 。 1 699 年第 2 期厂东造月合 5 表 2 不同时距的突风度u g 值 时时距距 01 m i n n n l m i n n n 3 0 5 5 5 02 5 5 51 0 5 5 5 5 s s s 3 s s s 0 . 55 5 5 g g g U U U 1 . 0 0 0 0 1 . 1 6 6 6 1 . 1 1 112 . 2 4 4 41 . 2 9 9 9 1 . 3 4 4 41 3 7 7 71 . 52 2 2 我国内河船舶自摇周期一 般 为T e 二 3 . 5一85 , 平均周期 e T 二 5 . 75 5 , 因此在计算风压 时 , 取突风度 g u= 2 . 3 , 即 P 一 告 、 p“ 3V) 2= 2 . 197 V 2 l6 (4) 风速距海面高度的变化 , 按下式计算 : (5) z 一1 0v z V 10 三 、 船舶抗风等级计算 根据稳性规范 , 各类航区船舶在各种装载情况下 , 其稳性衡准数 K应满足 : K = 乒 ) 1 Lf 式中 : 瑞 最小倾覆力臂 , m ; f L 风压倾侧力臂 , m 。 由此可得 : K f L 簇叭 1 . 海船抗风等级计算 由海船稳性规范 , 风压倾侧力臂为 ; 从 = 0 . o o 1. P 人 Z/ 式中 : P 单位计算风 压 , kgf/ 时 , 按(2 )式计算 ; fA 船舶受风面积 , 澎 ; Z 受风面积中心距水面距离 , m ; 排水量 , o t (6) 将(2 )式代入上式 , f L = 0 . 0013 得 沪 f A Z 16 (7) 将(7)式代入 (6)式 , 得 0 . oox3 俨 A; Z K(16 瑞 v、111 了 杀轰 再将上式代入 (3 )式 , 即可得船舶的抗风 风速为 ; v !。= 111( 警 ) !“ 了 恶 (8) 考虑突风度的影响 , 我国海船的突风度一般取 g u= 1 . 3一1 . 5 , 本文取 gu二1 . 3 5 , 则 v _ 一。2 . 2 篇 广东 造船 1699 年第 2 期 将上式代入 ( 3)式中 , 则得到船舶最大抗风风速为 : 、 产、, 声 、 .产 O 产0 1 了. 、11嘴.几 J 、了 .、 v :。_ 。2 . 2( 警 ) !/名 深 2 . 内河船抗风等级计算 由(内河船舶稳性规范 , 风压倾侧力臂f L为 : 玩 = 0 . 0 0 1 P 入 ( f Z 一a o d )/ 式中 : P 单位计算风压 , kgf / 澎 , 按(4 ) 式计算 ; z 一 受风面积中心距基线距离 , m ; 氏一d d- 船舶吃水 , m ; a 0 系数 , 匈= 1 . 4一0 . 1 B一水线宽度 , m o 将(4 )式代入上式 , 得 , , 二 里些坐鱼些丛二里逆竺 , 16之 、 将上式代入( 6 )式 , 得 V85 . 34 再将上式代入( 5 )式 , 即可 得船舶抗风 风速为 : _ ,_ . , 1 0 、。 . 厂一么 .瓦 v:。一 。 , 万二刁 一 一 V入八云 二 三 瓦丽衣 = 108 船舶的最大抗风风速V l 。 为 : V lo = = 108 Af (Zf一a o d) (z f一 d) 0 2 对于船长 L簇3 0m , 且n F 0 , 4 的小船 , 当船长等于波长 , 船速等于波速 , 船舶随浪航 行 , 在船中处于波峰时 , 船舶稳性损失很大 , 其抗风能力大大下降 , 因此按(11 )式计算的最大 抗风风速值应乘一个折减系数 0 . 6 , 即 V 一o m a x 二6 5 A F (Z f 一 a od) (f Z 一 d) “ 2 根据(8) 、 (9) 、 (10) 、 (11)或(12)式算出风速值V :。及 v :。 后 , 台规定风速 ” 的上限值 , 即可求得船舶的抗风等级或最大抗风等级 。 (12) 查表 1中 “ 我国沿海气象 四 、 实船计算 根据上述公式 , 本文计算了3条实船 , 其结果如下 : 1 . 某 7000 t 远洋货船 , 航行于 I类航区 , 其主要参数如下 : L = 109 . 6m , B=17 . sm , H = gm , K = 2 . 063 , 从 = 0 163m , 1996 年第 2 期广 东造船 = 9755 . 4l t , Ar=995 . 57时 , : =5 . s slm 。 求得 : V l 。二 11;( 碧 ) ./。 乙了裹聂 =43 . 104 n I / s v ,。、 、 二 , 2 , 2(碧) 1/8儒 二45 . 85 m / s 查表 1 可知 , 此船抗风等级为1 0级阵风 , 最大抗风等级为1 0级 阵风 。 2 . 某交通船 , 航行于m类航区 , 其主要参数如下 : L = 19 . gm , B = 4 . 55m , H = 2 . 30m , 二 42 . 48lt , L , = 0 . 157m , A ,= 54 . 5m 2 , Z 二 1 . 588m , K = 3 . 01 。 求得 : v ,。一 11 1( 碧 ) 1/8了 蕊纂 = 22 、 sm/ s v 10。 、: 、二 , 2 . 2(碧)! /8深 二 28 . 72m/ s 查表 1可知 , 此船抗风等级为6级阵风 , 最大抗风等级为7级阵风 。 某 内河船 , L 二 13m , 航行于 B级航区 , 其主要参数如下 : B = 3m , H二l om , =13 gt , 味 = o 153m , A f= 20 . 4时 , z f一 d = 0 . 763m , a =0 . 5 , K 二4 . 5 6 。 V A , (Z f一 a o d) (z ,一 d)“ 2 K sm/ s 8 n “, 心户.几,.且 求得 : V1 0 = V 一0. : = 6 5 A ; (Z f一 a o d) (z f 一 d) o 2 二2 3 . 2 耐 s 查表 1可知;此船抗风等级为7 级风 , 最大抗风等级为 8 级风 。 五 、 结论 通过本文对船舶抗风等级计算公式的推导 及实船抗风等级计算 , 可以得出 : (l ) 本文对实船抗风