博 士 （ 水 産 学 ） 上 野 公 彦
学 位 論 文 題 名
自由水の動的作用下における小型漁船の横揺れ特性に関する研究 学 位 論 文 内 容 の 要 旨
甲 板 上 へ の 海 水 の 打 ち 込 み は ， 漁 船 の 耐 航 性 及 び 復 原 性 に 重 大
な影響 を及 ぼし， 時には 転覆に 至ら しめる 主要な原因のーっと考 えられ る。 このよ うな甲 板上の 滞留 水や空 積を有するタンク内の 液体は ，自 由に移 動，変 形が可 能な 自由表 面を有するため自由水 と呼ば れる 。
本論 文は ，小型 漁船の 耐航性 の評 価につ いて，復原性に重大な 影響を 及ぽ す甲板 上の自 由水の 動的 作用を 究明し，従来の船体動 揺に関 する 解析法 を再検 討する と共 にその 問題点を補う手法の幾 っかを 提示 した。
1 ． 小型 漁船の 自由横 揺れ減 衰につ いて
自由 横揺 れ減衰 特性を 調べる ため の自由 横揺れ減衰試験では，
静 水中 で 模 型 船 にあ る初 期傾 斜角を 与え， この状 態から 初速 度 O で解放 し， 動揺が 十分に 減衰す るま での横 揺れ角を，模型船に取 り付け た動 揺計で 測定し た。ま た， 模型船 の甲板部に水を入れた タンク を設 置し， 同様な 自由横 揺れ 減衰試 験を行い，甲板上の自 由水の 影響 を考察 した。
1 − 1 ． 甲板 上に自 由水が 存在す る場 合の横 揺れ減衰の振幅依存性 甲板 上の タンク 内自由 水の固 有周 期が小 振幅時の船体動揺周期 よりも 長い 場合， 船体動 揺周期 は動 揺振幅 が減少するとともに短 くなり ，他 方，甲 板上の タンク 内自 由水の 固有周期が小振幅時の 船体動 揺周 期より も短い 場合， 船体 動揺周 期は動揺振幅が減少す るとと もに 長くな ること が確認 され た。
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1 −2. 濃衰係数の振幅依存性と減衰力関数の改良
上 記 の 結 果 を 考 察 す る う え で ， 自 由 水 が 存 在 し な い 場 合 の 横 揺 れ 減 衰 カ を 考 慮 す る 必 要 が あ る が ， 張 り 出 し 甲 板 や ハ ー ド チ ャ イ ン 等 の 形 状 的 特 徴 を 有 す る 船 形 に 十 分 適 用 で き る 減 衰 力 関 数 は 存 在 し な い 。 こ の た め 適 用 可 能 な 横 揺 れ 減 衰 力 関 数 を 考 察 し た 。 「 北 進 丸 」 ， 「 丸 東丸 」 モデ ル と比 較し て 船体 断 面形 状 が滑 らか な「 美 登丸 」 ， 「翔 洋丸」モデルを 用いた結果に おいては，従 来示 さ れ て い る 角 速 度 の 二 乗 項 の み か ら 構 成 さ れ る 減 衰 力 関 数 を 用 い て 海 水 流 入 角 近 傍 の 大 振 幅 時 か ら 小 振 幅 時 に 至 る ま で の 現 象 が ， 同一の係数で表わせることを確認した。
こ れに 対 して ，「北 進丸」モデルや 「丸東丸」モ デルのように ，張 り 出 し 甲 板 ， ハ ー ド チ ャ イ ン 等 の 形 状 的 特 徴 を 有 す る 船 形 に つ い て の 自 由 横 揺 れ 減 衰 曲 線 の 解 析 に お い て ， フ ル ー ド の 表 現 に 代 表 さ れ る 従 来 の 減 衰 力 関 数 を 用 い た 場 合 ， 減 衰 係 数 の 動 揺 振 幅 依 存 性 が 高 く ， 同 一 の 載 貨 状 態 で あ っ て も 初 期 傾 斜 角 に 応 じ て 諸 係 数 を変化させねばならないとぃう問題が生じた。
本 研 究 で は こ の よ う な 問 題 に 対 し て ， 諸 条 件 を 考 慮 し ， 新 た に 導 入 し た 減 衰 カ 関 数 を 用 い る こ と で 実 験 値 と 良 い 適 合 を 得 る こ と を明らかにした。
1 −3. 減衰曲線の極値間に見られる関係
減 衰 カ の 振 幅 依 存 性 を 考 慮 し て 適 用 範 囲 を 選 択 し た 場 合 減 衰 曲 線上のある極値￠。（絶対値）とその次に生じる極値￠n ＋I （絶対値）の 間には次の関係が成立する。
2b2 ￠n+ ！土！ ー2bz ￠！土！
exp （2b2 ￠n ＋1 十1 ） ― exp （2b2 ￠。十1 ）
更に ， 振幅 の 範囲を 限定すれば￠ n ＋I は￠わの一次 式で表わせる こと を 明 ら か に し た 。 こ こ で bz は 角 速 度 の 二 次 の 項 の 減 衰 係 数 。 ま た ， 上 記 の 考察 結 果と 平 均法 を 用い た近 似 解を 併 用す る こと に よ り ， 動 揺 振 幅が 4 ［ deg ］ 付 近の 小 振幅 時の デ ータ を 用い て 動揺
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振幅が15 ［deg ］以上の場合の減衰特性と定常状態での動揺特性を 推定できることを明らかにした。
2 ． 動 揺 発 生 装 置 を 用 い た 甲 板 上 の 自 由 水 の 挙 動 の 考 察 規則波的動揺を再現できる動揺発生装置の上に設置した，透明 タンク 内の水の挙動を解析し，船体動揺への影響を考察した。
2 ー1 ．動揺するタンク内水の挙動の大別
夕ンク内水の挙動を次の2 点を基準に大別した。第1 点目とし て，定常波が生じるか或いは進行方向に質量輸送を伴う遷移波が 生じるかとぃう点を基準とした。第 2 点目としては，甲板上の自 由水に対して，その量や重心の変化を船の横傾斜に応じて求め，
各々の状態で甲板上の自由水を固形物とみなし，その影響を復原 性基準に導入する従来の方法が適用できるか否かとぃう点を基準 と し た 。 こ れ ら の 基 準 を 基 に 挙 動 を 5 つ の 型 に 分 類 し た 。 2 ―2. 挙動の特徴と数値シミュレーション
一次同調周期付近で，遷移波がタンク側壁に衝突した後巻き返 ルタンク底部に衝突する現象が確認された。任意形状の流体の挙 動を扱うのに適した MAC 法を用いることによりこのような現象を 数値的にシミュレーションできた。また二次同調周期付近で，従 来の非線形理論で示されているような定常波が生じず，逆方向に 進行する 2 つの遷移波の衝突現象が現れることが確認され，この 現 象 に つ い て も 数 値 的 に シ ミ ュ レ ー シ ョ ン で き た 。 3 ．小型漁船の規則波中動揺の特徴
以上の自由横揺れ減衰試験，動揺発生装置による実験及ぴ数値 シミュレーションより得られた結果．を考慮して，諸条件を選択し 規則波中動揺試験を行なった。
この規則波中動揺試験では，模型船を造波装置で発生させた波
の進行方向に対して垂直に浮かべ，波によって生じる船体の横揺
れ角変位及び船首揺れ角変位を模型船に設置した動揺計により測
定した。甲板上の自由水の影響は模型船の甲板部に水を入れたタ
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ン ク を 設 置 す る こ と に よ り 調 ぺ た 。 実 験 は 北 海 道 大 学 水 産 学 部 大
型水理実験水槽で行った。
その結果，従来の報告では揺れを抑制する減揺効果を作用する とされていた甲板上の自由水が以下の場合において，逆に揺れを 助長することが確認された。また従来論じられることのなかった 甲板上の自由水の存在と横揺れ・船首揺れの連成についても以下 のような知見が得られた。
3 −1 ．甲板上の自由水と強制波の同調の影響
甲板上のタンク内自由水が少量で船体動揺周期に大きな影響を 与えない場合でも，強制波の周期が甲板上のタンク内自由水の固 有周期の1/2 （2 次同調周期）付近の値のとき，甲板上の自由水の減 揺効果はあまり生じず，自由水が存在しない場合と比較して，む しろ 動揺 振幅 が大 き な値 を示 す場 合 があ ることを確認した 。 この場合の甲板上のタンク内自由水の挙動は，動揺発生装置を 用いた実験及び数値シミュレーションで確認された，逆方向に進 行 す る 2 つ の 遷 移 波 の 衝 突 現 象 に 対 応 す る も の で あ っ た 。 3 ― 2. 甲板 上の自由水の存在による船体 動揺周期の変化の影響 甲板上の広範囲に自由水が存在する場合，船体の動揺周期が大 きく変化し，船体横揺れの共振域が移動する。このため強制波の 周波数がこの状態の船体動揺の1 次共振周波数付近及び，2 次の分 周波共振周波数付近に至ったとき，自由水が存在しない場合と比 較して動揺振幅が大きな値 を示す場合があることを確認した。
3 − 3. 甲板上の自由水が存在する場合の横揺れと船首揺れの連成 通常，横運動における連成を考える場合，船首揺れの影響は左 右揺れの影響に比べ小さいために無視される場合が多い。しかし 自由水による減揺効果が大きく作用する場合に，横揺れに対する 船首 揺れ の影 響が 無 視で きな い場 合 があ ることを確認した 。
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学 位 論 文 審 査の 要 旨
主査 副査 副査
教授 教授 助教授
天下井 烏野 木村
学位論文題名
清 慶一 暢夫
自由水の動的作用下における小型漁船の横揺れ特性に関する研究
甲板上への海水打ち込みは、漁船の耐航性及び復原性に重大な影響を及ぼし、時には転 覆 に至らし める主 要な原因のーっと考えられている。現に平成4年度から7年度の4年間 に お け る転 覆 、沈 没の船舶 海難数91件中42％ の38件が自 由水の 影響によ るとされ 、 この内22件が漁船であった。甲板上の滞留水や空積を有するタンク内の液体は自由に移 動、変形が可能な自由表面を有するため自由水と呼ばれ、その挙動によって船体のカ学的 特性を変化させる。本論文は、特に自由水影響を問題とする小型漁船の耐航性の評価にと って重要な復原性に重大な影響を及ぼす甲板上の自由水の動的作用を究明し、従来の船体 動揺に関する解析法を再検討し、その問題点を補う手法の幾っかを掲示した。第2章では 小型漁船の自由横揺れ減衰について、ハードチャイン、張り出し甲板を有する和船型漁船 に対しては、自由横揺れ減衰曲線の解析におぃて、フルードの表現に代表される従来の減 衰力関数を用いた場合、同一の載貨状態であっても初期傾斜角に応じて諸係数を変化させ なければならないという問題について、新たな減衰力関数を導入して問題を解消した。第 3章では動揺発生装置を用いて甲板上の自由水の挙動について論じ、動揺する自由水の挙 動を5つの型に大別し、動揺周期の変化によって自由水の挙動が変化する実験結果につい て、数値シミュレーションによっても現象を検証している。第4章では自由水タンクを装 備した小型漁船模型を使用した規則波中動揺試験について論じている。その結果、従来の 報告では揺れを抑制する減揺効果を発揮するとされていた甲板上の自由水がある条件下で は逆に横揺れを助長する働きをすることを確認した。また従来論じられることのなかった 甲板上の自由水の存在が、横揺れと船首揺れの達成についても無視し得ない影響を及ぼし ていることに言及している。一般の大排水量の船舶と異なり少量の自由水の存在によって 復原性能に大きな影響をこうむる小排水量の小型漁船にとって、特に甲板上の自由水の挙 動及びその動的作用下における横揺れ特性について検討した本論文について審査員一同が 評価した点は次の通りである。
1．張り出し甲板、ハードチャインを有する和船型漁船の自由横揺れ減衰曲線の解析にお いて、従来用いられているフルードの表現に代表される減衰力関数では十分表現し得 な い減衰係 数の動揺振幅依存性について、4度程度の小振幅データより15度以上減 衰特性と定常状態での動揺特性を推定できる方法を導いた。これは実船計測において
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誠に有効である。
2． 動揺 する 自 由水 の挙 動を実験的 に5つの型に分類し、MAC法を用いることにより、
このような現象を数値的にシミュレーションした。その結果二次同調周期付近で、従 来の非線形理論で示されたような定常波が生じず、逆方向に進行するニっの遷移波の 衝突現象が現れることを確認した。
3．以上の結果に基づいて効率的に甲板上に自由水を有する模型船による規則波中動揺試 験を行い、従来自由水の存在がむしろ横揺れを減揺する効果があるとされていたのに 対して、自由水が少量で船体動揺固有周期に大きな影響を与えない場合でも、強制波 の周期が自由水の固有周期の1/2（2次同調周期）付近で、自由水が存在しなぃ場合 と比較して、動揺振幅が大きくなることを確認した。この場合の自由水の挙動は先に 明 ら か に し た 、 逆 方 向 に 進 行 す る ニ っ の 遷 移 波 の 衝 突 す る 場 合 で あ っ た 。 以上の諸点絃小型漁船にとって少量の自由水が転覆事故にとって無視し得なぃ存在であ ることを説明し、同調周期、2次同調周期を回避する操船が安全対策にとって重要なこと を明確に示したものと高く評価することが出来る。従って審査員一同は、本論文が博士（水 産学）の学位論文として価値があるものと認定した。
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