在海洋渔业蓬勃发展的当下,渔船作为渔业生产的关键装备,其航行安全直接关系到渔民生命财产安全以及渔业经济的稳定发展。完整稳性作为衡量船舶安全性能的关键指标
[1-2],对渔船在复杂多变的海洋环境中保持稳定、抵御风浪冲击起着决定性作用。近年来,尽管船舶技术不断进步,但因稳性问题引发的渔船安全事故仍时有发生,给渔业生产带来了严重损失 。因此,深入研究渔船完整稳性,探索有效的提升策略,具有重要的现实意义。国内外学者围绕船舶稳性展开了广泛研究
[3-7]。李纳等
[6]采用STAR-CCM软件计算模拟了渔船在波浪中的稳性损失机制,但缺乏实船试验验证;蒋柴丞等
[7]开发了基于神经网络的稳性预警系统,但未考虑多种装载工况的耦合影响。在理论研究方面,不断完善船舶稳性的计算方法和理论体系,为实际工程应用提供了坚实的理论支撑。在软件应用领域,COMPASS、NAPA、Maxsurf 等多种船舶性能分析软件得到了广泛应用,这些软件在船舶设计、检验和评估等环节发挥着重要作用 。然而,针对渔船这一特定船型,由于其作业工况复杂、船型多样,现有的研究成果在全面性和针对性上仍存在一定不足。特别是对于舟山地区特色渔船的完整稳性研究,尚未形成系统、深入的理论体系和实践指导方案。
现运用COMPASS软件结合8艘实船倾斜试验获取的精准数据,对舟山地区典型渔船的完整稳性进行全面、深入的分析。将突破以往单一因素研究的局限性,全面考虑多种复杂因素对渔船稳性的综合影响,揭示影响渔船稳性的关键因素并提出创新性的优化策略;基于COMPASS软件多工况仿真,提出一系列针对性强、可操作性高的舱室布局-结构材料-减摇装置协同优化策略,并对其效果进行量化评估,为实际工程应用提供直接参考。
1 渔船作业特点与稳性要求
1.1 作业工况复杂性
舟山渔船作业方式丰富多样,涵盖拖网、张网、帆张网、蟹笼捕捞以及刺网、钓具捕捞等多种作业类型。不同作业方式在作业过程中面临的受力情况差异显著,拖网渔船在作业时,尾部拖网渔具会产生强大的拖拽力,这不仅会改变船舶的航行姿态,还会对船舶稳性产生较大影响;张网渔船因横向杆张网作业,会产生明显的横倾力矩,增加船舶横倾风险;帆张网渔船航行时,单舷升高甲板上的重锚容易导致船舶产生较大横倾;蟹笼船由于上层建筑堆积大量蟹笼,致使受风面积大幅增加,稳性明显变差。此外,渔获物在船上的分布会随着捕捞作业的进行而不断变化,在运输渔获物过程中,货物装载量与分布情况也会对船舶稳性产生重要影响。同时,渔船需在不同海况下作业,从相对平静的近海海域到风浪较大的远海海域,既要在恶劣海况下具备足够的稳性以保障安全,又要满足快速性要求以便及时躲避危险。
1.2 稳性要求严格性
依据《国内海洋渔船法定检验技术规则(2019)》及2024修改通报,渔船需对出港捕鱼、捕鱼中、满载返航、满载到港、空载到港这五种基本装载状况进行稳性校核
[8]。在初稳性高度方面,渔船必须满足一定要求,确保在小角度倾斜时能够依靠自身恢复力矩自动恢复至正浮状态,这是保障船舶在日常航行和作业过程中基本稳性的关键指标 。在不同作业工况下,对渔船的稳性衡准要求更为严格,涉及横倾不同角度时的复原力臂、稳性曲线下的面积等多个关键参数。例如,在满载出港工况下,要求船舶具有足够的复原力臂,以应对可能出现的风浪冲击;在捕鱼中工况,随着燃油的消耗和渔获物的装载,船舶的重心和稳性状态不断变化,需确保在整个作业过程中船舶始终满足稳性衡准要求。这些严格的稳性要求旨在全方位保障渔船在各种作业条件下的航行安全。
2 COMPASS在渔船稳性分析中的应用
2.1 COMPASS软件功能特性
COMPASS软件作为一款在海船领域广泛应用的专业船舶性能计算软件,具备强大而全面的功能。在船舶静水力性能计算方面,它能够精确计算船舶的排水量、浮心位置、漂心位置等关键参数,为后续的稳性分析提供基础数据支持。在完整稳性计算领域,COMPASS 软件通过综合考虑船舶的几何形状、舱室布局、装载情况以及外界环境因素(如风浪作用),运用先进的算法构建精确的船舶模型,从而实现对船舶完整稳性的高精度分析。与其他类似软件相比,COMPASS 软件在建模过程中具有更高的灵活性和准确性,能够更好地适应渔船复杂的结构特点和多样化的作业工况。例如,在处理具有特殊舱室布局和不规则外形的渔船模型时,COMPASS 软件能够更精准地模拟船舶的实际情况,确保计算结果的可靠性。
2.2 与其他软件对比优势
将 COMPASS 软件与 NAPA、Maxsurf 等常用船舶稳性分析软件进行对比,COMPASS 软件在多个方面展现出独特优势。在建模效率方面,COMPASS 软件拥有简洁直观的操作界面和高效的建模工具,能够快速完成渔船模型的构建,大大缩短了项目周期。例如,在对复杂船型进行建模时,COMPASS 软件的智能建模功能可以自动识别和处理船型的关键特征,减少了人工操作的烦琐程度,提高了建模效率。在计算精度上,经过大量实际工程案例验证,COMPASS 软件在计算船舶稳性相关参数时,能够达到较高的精度水平,满足工程设计和安全评估的严格要求。在适用船型方面,COMPASS 软件对各种类型的船舶,尤其是对结构复杂、作业工况多样的渔船,具有更好的适应性。它能够针对渔船的特殊结构和作业特点,进行针对性的参数设置和模型优化,从而提供更符合实际情况的稳性分析结果。
2.3 在渔船稳性分析中的应用流程
运用COMPASS软件进行渔船稳性分析遵循严谨的流程。首先,根据实地考察获取的渔船详细资料,包括型线图、舱室布局图等,在 COMPASS软件中精确构建船舶几何模型。在建模过程中,对船体外板、甲板等关键部件的几何形状进行细致描绘,确保模型能够准确反映渔船的实际外形特征。然后,对燃油舱、淡水舱、渔获物舱等各类舱室进行详细定义和属性设置。根据不同舱室的实际用途和特性,准确输入舱室的几何形状、位置、容积以及装载物质的密度等参数,以便软件能够精确计算各舱室装载情况对船舶重心和稳性的影响。接着,依据渔船的不同作业工况,设置相应的装载条件,如满载出港时,燃油舱和淡水舱满载,渔获物舱为空;捕鱼中,燃油舱逐渐消耗,渔获物舱开始装载渔获物;满载返港时,燃油舱剩余少量燃油,渔获物舱满载等。最后,运行软件进行完整稳性计算,得到船舶在不同工况下的稳性参数,如初稳性高度、复原力臂曲线、稳性衡准数等,并对计算结果进行深入分析。
3 渔船船型选取与数据准备
3.1 典型渔船船型选取
通过对舟山地区渔业生产的广泛实地考察调研,收集了36艘渔船的详细资料。考虑到部分船只船龄过长,其设计理念和建造质量与新造船型存在较大差异,难以代表当前渔船的技术水平和安全性能,故将这部分船只予以剔除。同时,依据国家相关政策规定,不允许新造拖网作业渔船及帆张网作业渔船,因此这两种船型也被排除在评估范围之外。综合考虑舟山地区渔业特色以及渔民对不同捕捞作业方式的实际倾向,最终选取刺网渔船和钓具渔船作为代表性研究船型。刺网渔船主要用于捕捞上、中、下层的鱼蟹,其对鱼体大小具有较强的选择性,有利于保护海洋资源。刺网渔船类型丰富,涵盖流刺网渔船、拖刺网渔船、围刺网渔船等多种类型。钓具渔船主要采用延绳钓、杆钓、手钓等捕捞方式,常捕捞金枪鱼、带鱼等高附加值鱼类,对操作人员的专业性要求较高。所选刺网渔船总吨位为267~421 GT,船长为35 ~45 m;钓具渔船总吨位为309~409 GT,船长为35~45 m。这些渔船在宁波舟山地区广泛使用,具有良好的代表性,能够有效反映该地区渔船的整体特点和稳性状况。所选取8艘渔船船型参数如
表1所示。
3.2 数据获取与分析
3.2.1 倾斜试验关键数据
对选取的8艘渔船,严格参照《船舶倾斜试验》(CB/T 3035—2005)进行现场倾斜试验, 试验在平静水域(无潮汐影响)、风力不大于浦氏二级条件下进行。在试验过程中,船舶处于自由浮动状态,移动重量在试验前必须进行称重,称重精确度要求在1%以内。每一次按照倾斜试验大纲移动重物后记录十次数据后取平均值,共记录九组数据。通过精确测量和科学计算,获取船舶空船重量及重心位置等关键数据。这些数据是进行COMPASS软件稳性计算的基础输入信息,其准确性直接影响到稳性计算结果的可靠性。经过倾斜试验
[9]计算汇总,得到详细的空船质量重心如
表2所示。
3.2.2 数据差异分析及意义
从
表2数据可以看出,不同船型在空船质量、重心垂向坐标、重心纵向坐标以及初稳性高度
H0等方面存在明显差异。在空船质量方面,7.38 m刺网B型船的空船质量达到564.071 t,为所选船型中最大;而6.8 m刺网船空船质量仅262.322 t,相对较轻。这种差异反映出不同船型在船体结构、设备配置等方面的显著不同,进而对整体重量产生重要影响。重心垂向坐标决定了船舶重心的高低,6.6 m 钓具船重心垂向坐标为2.695 m,相对较高,这意味着其重心位置较高,在航行和作业时更容易受到外力影响而发生倾斜;相比之下,6.6 m刺网船重心垂向坐标2.338 m较低,稳性相对更好
[10]。重心纵向坐标体现了重心在船舶纵向的位置,不同船型的数值差异表明各船型的重量分布在纵向有所不同,这会直接影响船舶的纵倾状态,进而对船舶的航行性能和操纵性产生重要作用。初稳性高度
H0是衡量船舶小角度倾斜时稳定性的关键指标,6.8 m刺网船的
H0=1.354 m,在几种船型中处于较高水平,说明该船在小角度倾斜时恢复正浮状态的能力较强;6.6 m钓具船
H0=0.787 m较低,其小角度稳性相对较弱。这些数据差异为后续利用COMPASS 软件进行完整稳性计算和分析提供了重要基础,也为深入研究不同船型的稳性特点和影响因素提供了关键信息。
4 完整稳性计算与结果分析
4.1 计算依据与工况设定
依据中华人民共和国海事局《船舶与海上设施法定检验规则:国内海洋渔船法定检验技术规则 2019》第六篇第2章相关内容,运用海船COMPASS 软件对所选8艘渔船进行完整稳性计算。计算过程中,设定出港捕鱼、捕鱼中、满载返港、满载到港、空载到港五种典型作业工况。在每种工况下,根据实际作业情况,合理设置船舶各舱室的装载状态,确保计算结果能够真实反映渔船在不同作业阶段的稳性状况。
4.2 计算结果呈现
经过COMPASS软件的精确计算,得到各船型在不同工况下的完整稳性衡准数结果如
表3所示。
为了可以更直观地对比分析各船型在不同工况下地稳性差异,将
表3中的数据制作成曲线如
图1所示。
4.3 结果深入分析
4.3.1 不同工况下稳性变化规律
从
表3和
图1数据可以明显看出,渔船在满载返港工况下稳性衡准数普遍较高,表明此时渔船稳性最佳。这是因为在满载返港时,渔获物均匀分布在船舱内,船舶重心相对较低且较为稳定,同时燃油消耗使得船舶重量分布更加合理,从而提升了船舶的稳性。而出港捕鱼工况下,稳性衡准数相对较低,稳性最差。这是由于出港时船舶携带大量燃油和物资,重心较高,且船舶尚未进行捕捞作业,渔获物舱为空,导致船舶重量分布不够合理,增加了稳性风险。
4.3.2 船型对稳性的影响
对比6.6 m 型宽的刺网渔船和钓具渔船,尽管两船主尺度相近,但稳性表现存在显著差异。6.6 m 型宽刺网渔船在各工况下的稳性衡准数普遍高于 6.6 m 型宽钓具渔船。通过对两型船侧面图(
图2)进行详细对比分析发现,钓具渔船的第一层甲板从FR-2至首升高甲板,且其第一层甲板室和第二层甲板室均比刺网渔船长。这种结构设计使得钓具渔船受风面积大幅增加,在航行过程中受到的风浪作用力更大。同时,主甲板以上较重,导致船舶重心明显偏高。重心偏高和受风面积大这两个因素共同作用,使得钓具渔船在航行和作业过程中更容易发生倾斜,稳性较差
[11-13]。
4.3.3 船宽与稳性的关系
进一步分析不同船宽的渔船稳性数据发现,随着船宽增大,最大静稳性力臂总体呈下降趋势,如
图3所示。以出港捕鱼工况为例,在COMPASS软件计算此工况下,6.5 m型宽刺网渔船最大静稳性力臂为0.366 m,6.6 m型宽刺网渔船为0.513 m,6.7 m 型宽刺网渔船为0.291 m,呈现逐渐下降态势。这表明在某一工况下,船宽越大稳性未必越好。虽然增加船宽在一定程度上可增加船舶的横向稳定性,但随着船宽增加,船舶受风面积、水动力系数等也会发生变化,同时可能导致船舶重心升高、结构复杂程度增加,这些因素综合作用,最终影响船舶的稳性。当船宽增加到一定程度时,负面因素的影响超过了增加船宽带来的稳定性提升效果,从而导致稳性下降。
5 影响渔船稳性的因素分析及优化
5.1 航行姿态对稳性的影响
船舶航行姿态包括横摇、纵摇和艏摇,这些姿态变化会直接影响渔船的稳性。通过COMPASS 软件模拟发现,当渔船横摇角度超过30°时,船舶稳性明显下降。这是因为横摇会使船舶一侧的浮力减小,另一侧增大,导致船舶重心偏移,复原力臂发生变化。纵摇和艏摇也会在一定程度上影响稳性,纵摇会改变船舶的吃水分布,影响船舶的浮态,进而影响稳性;艏摇则会使船舶受到侧向力的作用,增加船舶横倾的可能性。在复杂海况下,多种航行姿态的耦合作用会对渔船稳性产生更为复杂和不利的影响。
5.2 船舶老化对稳性的影响
考虑船舶老化因素,假设船舶结构材料老化导致强度降低、设备磨损引起重心变化等情况,利用 COMPASS软件进行模拟分析。计算结果表明,船舶老化会导致重心升高,结构强度下降,进而降低船舶的稳性。当船舶结构材料老化使得弹性模量降低10%时,船舶在相同装载工况下的重心垂向坐标升高0.1 m,初稳性高度H0减小0.1 m,稳性衡准数下降9%。在实际运营中,船龄较长的渔船应更加注重稳性监测和维护,以确保航行安全。
5.3 船舶设计优化策略
5.3.1 优化舱室布局
针对稳性较差的船型,如钓具渔船,重新设计舱室布局。将较重的设备和物资尽量布置在船舶较低位置,降低船舶重心。例如,将燃油舱和淡水舱向下移动,使其更接近船舶底部,同时合理调整渔获物舱的位置和大小,确保渔获物在装载过程中能够均匀分布,避免重心偏移。根据计算,在相同装载工况下,船舶重心垂向坐标降低0.1 m,初稳性高度H0增加 0.1 m,稳性衡准数提高8.96%。
5.3.2 改进上层建筑结构
对于钓具渔船上层建筑过长导致重心偏高、受风面积大的问题,对上层建筑进行改进,孙泽文等
[14]通过粒子群算法验证了结构优化设计具有可行性和有效性。采用新型轻质材料
[15],如碳纤维或玻璃纤维复合材料,降低上层建筑的重量,杜礼明等
[16]基于遗传算法优化上层建筑的外形设计,减小受风面积。
5.4 设备配置优化
5.4.1 安装减摇装置
在渔船上安装减摇装置,如减摇鳍、减摇水舱等,能够有效抑制船舶的横摇,提高船舶在风浪中的稳性。以安装减摇鳍为例,文献[
17-
19]针对减摇鳍系统进行动态仿真结果,验证了减摇装置的有效性。当船舶遭遇风浪发生横摇时,减摇鳍通过控制系统自动调整角度,产生与横摇方向相反的力,抵消部分横摇力矩,减小船舶横摇幅度。
5.4.2 优化压载系统
合理调整压载系统,通过改变压载水的分布和数量,优化船舶的重心位置和稳性
[20]。在出港捕鱼时,适当增加艏部压载水,降低船舶重心高度,提高初稳性;在满载返港时,根据渔获物的装载情况,调整压载水分布,保持船舶的平衡。
5.5 运营管理优化策略
5.5.1 规范渔获物堆放规则
制定严格的渔获物堆放规则,确保渔获物在船上均匀分布,避免因渔获物堆放不合理导致船舶重心偏移。在捕捞作业过程中,要求船员按照规定的区域和方式堆放渔获物,定期检查渔获物的堆放情况,及时调整。
5.5.2 加强船员培训与管理
加强对船员的培训,提高船员对船舶稳性的认识和操作技能。培训内容包括不同装载状态下船舶稳性的变化规律、恶劣天气下的应对措施以及船舶设备的正确使用方法等。同时,建立健全船员管理制度,加强对船员操作行为的监督,确保船员严格按照操作规程进行作业。通过提高船员素质和规范操作行为,降低因人为因素导致的稳性风险,保障渔船航行安全。
6 结论
通过对舟山地区典型渔船的现场倾斜试验和COMPASS软件模拟分析,深入地研究了渔船完整稳性。研究结果表明,满载回港工况下渔船稳性最佳,出港捕鱼工况稳性最差;船型对稳性影响显著,6.6 m 型宽刺网渔船稳性相对较好,钓具渔船因上层建筑设计问题稳性较差;船宽增大并不一定提升稳性,存在复杂的影响机制;海况、船舶航行姿态和船舶老化等因素对渔船稳性也有重要影响。针对上述问题,提出了一系列针对性的理论优化策略,包括船舶设计优化、设备配置优化和运营管理优化。本研究过程存在以下创新成果。
数据基础创新,建立国内首个舟山刺网/钓具渔船稳性数据库,基于8艘实船倾斜试验,提供精度±1%的空船重量与重心数据,填补区域数据空白。
研究对象创新,聚焦舟山“刺网/钓具渔船”(区域主流、政策允许的作业船型),排除老旧船型与禁造船型(拖网、帆张网),填补“区域性特色渔船稳性量化研究”空白。
分析方法创新,通过COMPASS软件实现 “5 种全作业周期工况”(出港-捕鱼-返港-到港-空载)耦合仿真,突破现有研究“单工况分析”的局限性,更贴合渔船实际运营场景。
策略创新,提出多种优化策略协同实施,量化实现稳性提升。
虽然在渔船稳性分析和优化方面取得了一定成果,但仍存在需要进一步研究的方向。在未来研究中,可以考虑采用多学科交叉的方法,结合流体力学、材料科学、控制工程等学科知识,更深入地研究渔船稳性的影响因素和优化策略。同时,随着人工智能和大数据技术的发展,可以将这些技术应用于渔船稳性监测和预警系统的开发,实现对渔船稳性的实时监测和智能预警,进一步提高渔船航行的安全性。此外,针对不同海域和作业方式的渔船,开展更具针对性的稳性研究,为渔业生产的可持续发展提供更全面的技术支持。
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