一种船舶快速性能评价方法

车霖源，王 丹，陈伟民，陈建挺，金允龙

(上海船舶运输科学研究所 a.航运技术与安全国家重点实验室;b.航运技术交通行业重点实验室，上海 200135)

0 引 言

在船舶设计阶段，对船舶的快速性能进行评价尤为重要。船舶设计、建造和使用人员需了解当前船舶在同类船舶中所处的位置，判断其是否具有市场竞争力。采用不同的评价方法会得到不同的结果，因此对评价方法进行统一尤为重要。早在2000年，交通运输部就发布了行业标准《新建及购置运输船舶节能技术要求》(以下简称《技术要求》)，针对不同船舶的快速性评价给出了详细的方法说明[1]，其核心思想是对比新建船舶的快速性系数与衡准值，若新船的快速性系数大于衡准值，则其满足《技术要求》。与此类似，2002年国防科学技术工业委员会发布了行业标准《海洋运输船主要性能水平评级》(以下简称《水平评级》)，从船舶的承载能力、快速性、舱容利用率和耗油量等方面给出了判断船舶综合性能优劣的方法[2]，即采用与《技术要求》类似的方法，将新船与已有船相对比，考虑不同因素的权重，给出综合得分。随着行业的不断发展，以往的行业标准的适用性越来越差，已有很多研究针对《水平评级》，从船型、指标和权值处理等方面提出改进方法[3-5]。为满足船舶设计人员对快速性精准评价的需求，本文结合《技术要求》的评价方法，利用水池试验数据库，提出新的性能评价方法，达到合理、科学评价船舶快速性能的目的。

1 现有评价方法分析和改进

通过对《技术要求》进行分析，发现其有以下局限性：

1) 适用范围小。随着设计和建造水平快速提升，散货船和油船的最大载重量均已超过300 000 t，新建集装箱船的载箱量已超过20 000 TEU，而衡准值计算公式要求散货船和油船的载重量在90 000 t以下，差别较大。图1为散货船衡准值计算公式的局限性。由图1可知，当载重量超过90 000 t之后，衡准值曲线出现不合理的走势，无法合理评估船舶的性能。

图1 散货船衡准值计算公式的局限性

2) 衡准值指标。《技术要求》中的衡准值来自于2000年以前的船型数据分析，适用于当时的船舶性能对比。近年来，随着船型优化技术得到广泛应用，船舶的快速性能得到明显提升。

3) 评价等级单一。为说明船舶的性能优良，单独评价其是否符合要求是不够的，船舶设计人员希望得到更详细的信息，明确船舶在同类船型中的位置，判断其是否具有较强的竞争力，以便说服船舶所有人采用其方案。

针对以上局限性，重新拟定船舶快速性评价方法。选取近5 a的常规船型数据，所选船型的吨位涵盖当前市场上的主流吨位，能反映当前船型的特点。区别于《技术要求》中的方法，设立上、下2个衡准值，根据新建船在其中的位置判断该船的等级。等级共分为4个，提供精细的判断结果。评价过程与《技术要求》类似，说明如下。

1) 第一步，计算新船的快速性系数额定值，分为2种情况：

(1) 对于散货船和油船，有

(1)

(2) 对于集装箱船，有

(2)

式(1)和式(2)中:Ch为快速性系数额定值；Y为船舶海上功率裕度，%；P为船舶主机功率(包括海上功率裕度)，kW；Δ、Δ1和Δ2为船舶排水量，t；vs、vs1和vs2为船舶航速，kn。

2) 第二步，计算对应船型的快速性系数衡准值C0，具体计算公式见表1。

表1 快速性系数衡准值计算公式

表1中：角标1代表结构吃水状态；角标2代表压载吃水状态；集装箱船的参数为设计吃水状态下的参数；角标L代表下限；角标U代表上限。

3) 第三步，计算快速性系数C的值，有

ΔC=C0,U-C0,L

(3)

ΔCh=Ch-C0,L

(4)

(5)

根据C值判断船舶的快速性等级见表2。

表2 船舶快速性等级判定

2 评价方法说明

海军系数以航速、排水量和功率确定的系数评价船舶的快速性能，使用方便，所需的变量较少，易于快速对比同类型船舶的性能。考虑主机功率和风浪储备，建立快速性系数Ch，将同吨位的船舶在同一水平上对比。

不同船舶的实际运营情况差异明显，考虑船舶的实际运营情况更能合理、科学地反映其性能。散货船和油船在实际运营中的装载情况相对固定，即结构吃水和压载吃水2种情况。因此，考虑船舶在2种吃水状态下的综合性能。集装箱船在实际营运过程中的装载情况不固定，在正常的市场环境中，设计吃水出现的概率相对较大，以该状态进行性能对比具有代表性。

以散货船为例说明衡准值的建立和等级划分方法。衡准值的建立结合了回归分析和样本分布的特点。首先，根据回归分析得到变量的变化趋势，确定快速性系数Ch随排水体积的变化特点(见图2)；随后，根据变量的变化趋势和专家经验建立边界线，确定上限和下限，即衡准值，边界线根据样本点调整。样本包括常规主流船型，均经过一定的优化设计，下限以上即为合格船型。为更详细地进行评价，将上边界与下边界之间的部分三等分，得到良好和优秀界限。对于一艘船舶，计算出其快速性系数Ch，并将所得结果与上限数值和下限数值相对比，确定落入该区间的哪个位置，由此即可判定同吨位下该船性能的优劣。该评价方法通过相对的性能比较评价船舶的性能，具有较强的适应性，方便新数据的填充和评价标准的定期修正。

图2 散货船Ch分布情况

根据上述评价方法分析样本性能的等级分布情况，结果见图3。

由图3可知，对于散货船、集装箱船和油船等三大主力船型而言，性能为“良好”等级的船舶最多，其次是“优秀”等级，“合格”等级的船舶较少。由样本选择方法可知，参与对比的船舶均为经过优化的性能较好的船舶，有些船舶经过多次优化，样本多数集中在“良好”和“优秀”区域，符合实际情况。随着计算流体力学(Computational Fluid Dynamics，CFD)工具的进一步发展和相关人员经验的积累，此种分布情况会愈加明显。

a) 散货船

b) 集装箱船

图3 样本性能的等级分布情况

在现阶段的工程实践中，多以设计吃水和设计航速下的船舶性能为优化目标。由上述分析可知，集装箱船的快速性系数是基于设计吃水计算的，而油船和散货船的快速性系数是基于结构吃水和压载吃水计算的，导致集装箱船“优秀”等级的比例相对较大。总体而言，当前的船舶性能等级评价方法能反映船型的特点，合理对比船舶的快速性能。

3 计算实例

某散货船的主要参数见表3，计算过程见表4。

表3 某散货船的主要参数

表4 计算过程

由表4可知，C值为0.328，该船的快速性能为“合格”等级。

4 结 语

本文针对《技术要求》中船舶快速性评价方法的局限性，结合上海船舶运输科学研究所的水池试验数据库，提出了一种新的船舶快速性评价方法。该方法考虑了不同船型的特点，应用范围较广；对比的衡准值来自于近年来的优秀船型，能反映当前船舶的性能特点；采用四级评价标准，能准确评价船型的性能和发展潜力；所需参数较少，计算方便，能快速帮助使用者得到结论；在建立衡准值曲线过程中融入了专家经验，从样本的分布情况来看，当前的等级划分方法能反映出船舶的性能特点，可用于性能对比。

随着技术的不断发展，会有更加优秀的船型出现，后续将定期对评价标准进行更新。同时，紧跟新船型的特点，客观、合理地评价船舶的快速性能。此外，新规范、新公约中出现了从不同角度评价船舶性能的系数和指标，为船舶快速性评价提供了新的方向，后续将研究将其纳入评价体系的可行性。