九州大学学術情報リポジトリ
Kyushu University Institutional Repository
船舶動揺軽減装置の開発とその性能に関する研究
山口, 悟
Graduate School of Engineering, Kyushu University
https://doi.org/10.11501/3110932
出版情報：Kyushu University, 1995, 博士（工学）, 課程博士
船 舶 動 揺 軽 減 装 置 の 開 発 と そ の 性 能 に 関 す る 研 究
山 口 悟
平 成 8 年 2
月目 次
1 . 1 緒 言
1 . 2 船 の 動 揺 軽 減 に 関 す る 研 究 の 状 況 1 . 2 . 1
対 策( 1 )の 研 究 の 状 況
1.
2 . 2
対 策( I I )
の 研 究 の 状 況 ・ ・ 1.2 . 3
対 策( I I
I ) の 研 究 の 状 況 ・ 1.3
船 舶 動 揺 軽 減 装 置 の 概 念 と 形 式1.
3 . 1
動 揺 軽 減 装 置 の 発 達 の 経 緯1 1 1
緒 論q u
つ
J4A
ハ
onu
ハU
1l
ム 寸
lム
1.
3 . 2
動 揺 軽 減 装置 の 分 類 と 滅 揺 タ ン ク の 位 置 付 け ・ ・13 1 . 3 . 3 滅 揺 タ ン ク の 体 系 化 と 能 動 化 へ の 課 題 ・ ・ ・ ・ 1 8
1.4
研 究 の 目 的 と 意 義 ・・ ・ ・ ・・・
・22
1.5 能 動 型 動 揺 軽 減 タ ン ク に よ る 船 体 横 揺 制 御 系 の 設 計 法の 概 要 と 本 研 究 の 内 容 ・
・ ・
・・ ・・・・ ・ ・ 2 5
2
動 揺 軽 減 タ ン ク の 特 性 解 析 法29
2 . 1 緒言・
・ ・ ・ ・ ・・・ ・
・29
2 . 2 船 体 運 動 と タ ン ク 内 の 液 体 流 動 と の 連 成 ・
・・・・ ・ 3 1
2 . 2 . 1
船 体 運 動 と 座 標 系 ・・ ・・ ・ ・ ・・ ・・3 1
2 . 2 . 2 液 体 流 動 の 基 礎 方 程 式
・ ・・・・・・・
・・ 33
2 . 2 . 3 2 次 元 タ ン ク 内 液 体 流 動 の 基 礎 方 程 式 37
2 . 3 u ‑
字 管 理 論 ( 渡 辺 理 論 )2 . 3 . 1
渡 辺 理 論 の 概 要2 . 3 . 2
渡 辺 理 論 の 限 界 と 問 題 点 2. 4
有 限差
分 法 に 基 づ く 数 値 解 析 法2 . 4 . 1
基 礎 方 程 式 お よ び 座 標 系2 . 4 . 2 SOLA‑SURFス キ ー ム に よ る 数 値 解 析 法 2 . 4 . 3
船 体 運 動 と タ ン ク 内 部 流 体 運 動 の 連 成2 . 5
タ ン ク 内 液 体 流 動 の 固 有 周 期 推 算 法・
8 8 1 3 3 4 9 1 3 3 4 4
4
4 4 5
2 . 5 . 1
固 有 周 期 推 算 手 順 ‑ ・・ ・
・・・ ・・・・・・・・・5 1 2 . 5 . 2
固 有 値 問 題• • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • 5 2 2 . 5 . 3
推算 値 の 精 度
(理 論 値 と の
比較 )
・・・ ・54 2 . 5 . 4 U‑ 字 管 型 、 減 揺 タ ン ク の 固 有
周 期の
推算
・57 2 . 6 タ ン ク 内 液 体 流
動の 減 衰
係数
推算
法・
・・
・・ ・・・ ・59
2 . 6 . 1 減 衰
係数
推算 手
順2 . 7
結言
59 6 1
3
能 動 型 減 揺 タ ン ク シ ス テ ム の 制 御 性 能81
3 . 1
緒言
・・
・・・・・・ ・
・・
・・8 1
3 . 2
従 来 の 能 動 型 滅 揺 タ ン ク シ ス テ ム の 設 計 法83 3 . 2 . 1
桑 野 理 論 .• • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • 83 3 . 2 . 2
能 動 型 滅 揺 タ ン ク シ ス テ ム の 設 計 パ ラ メ ー タ の 計算 精 度
・・・
・・・
・86
3 . 3 PID制 御 方 式 に 基 づ く 制 御 シ ス テ ム の 構 築 ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・
・・・88
3 . 3 . 1 PID
制 御 方 式・
・・ ・・・ ・88
3 . 3 . 2
タ ン ク 形 状 の 検 討• • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • 89
3 . 3 . 3
能 動 型 滅 揺 タ ン ク シ ス テ ム の 設 計 例94
3 . 4
適 応 制 御 理 論 に 基 づ く 制 御 シ ス テ ム の 構 築3 . 4 . 1
適 応 制 御 理 論 ・97 97
3 . 4 . 2
適 応 制 御 方 式 に よ る 横 揺 制 御 シ ス テ ム の 性 能 評 価1 0 1
3 . 5
結 言 ・ ・ ・ ・・・ ・1 0 5
4
能 動 型 減 揺 タ ン ク に よ る 船 体 横 揺 低 減 シ ス テ ム の 設 計 法4 . 1
緒 言4 . 2
滅 揺 タ ン ク の 設 計 指 針134
1 3 4 1 3 5 4 . 2 . 1
船 体 横 揺 制 御 系 に 対 す る タ ン ク 容 積 の 影 響 ・ ・ ・ ・ ・1 3 5 4 . 2 . 2
タ ン ク 形 状 と 寸 法 の 決 定 方 針 ・1 3 6 4 . 3
適 応 制 御 に よ る 横 揺 軽 減 タ ン ク シ ス テ ム の 設 計 例1 3 9
4 . 4
結 言1 4 3
5
船 舶 動揺 軽 減 装 置 の 課 題 と 展 望159
謝 辞
163
参 考 文 献
164
主 要 記 号 一 覧 表
176
表 図 表 題 一 覧 表
180
付 録
h
任AC;
去 の ア ル ゴ リ ズ ム187
第 1章 緒 論
1 . 1 緒 言
大 洋 の 荒 海 中 を 航 行 す る 船 は 波 浪 に よ っ て 激 し く 動 揺 し 、 動 揺 に 起 因 す る 加 速 度 に よ り 船 体 と 積 荷 は 大 き な 荷 重 に 曝 さ れ る 。こ の 動 揺 の 大 き さ は 、 船 の 安 全 性 に 深 く 関 わ っ て お り 、 船 の 凌 波 性 能 、 耐 航 性 能 を 大 き く 左 右 す る と と も に 、 乗 組 員 、 乗 客等 の 乗 り 心 地 を 決 定 す る 重 要 な 因 子 の 一つ で あ る 。従 っ て 、 「 船 の 動 揺 を 軽 減 す る 問 題
J
は 、 古 来 造 船学 の 最 重要 課 題 の 一つ で あ り 今 日 で も そ の 課 題 解 決 へ の意 義 は 不 変 で あ る
[ 1 ] 0
船 の 動 揺 軽 減 に 対 す る 願い は 、 船 が 最 初 に 造 ら れ た 古 代 ま で 遡 る で あ ろ う。ギリ、ンャ神 話 の 巨船 ア ノ レ ゴ ‑ 遠 征 の 物 語
[ 2 ]
の 中 で 、 荒 れ 狂 う 波 風 に も ま れ て 、 ひ た す ら 神 々 に 祈 り を 捧 げ る こ と に よ っ て 航 海の 安 全 と 平 穏 が 達 成 さ れ る 様 子 が 叙 事 詩 と し て 謡 わ れ て い る 。
2 0
世 紀 末 の 今 回 、 科 学 技 術 の 進 歩 に 伴 い 、 動 力 船 、 錦l
荷台等の発明、造 船学の学問としての体系化 [3]~[5] 、特に、船舶動揺理論の精密化 [6]~[10] 等 の造船術と航海術の飛躍的発達を経て、現代人は古代人に 比 べ 、 航 海 に お け る 船 の 動 揺 に 関 し て は る か に 高 い 安 全 性 を 確 保 し て い る 。地 理学上 の 未 知 海 域 が 消 滅 し た 現 代 に お い て は 、 先 端 技 術 の 粋 を 集 め て 開 発 さ れ た 人 工 衛 星 を 利 用 す る 航 海 シ ス テ ム
[ 1 1
ト 海 洋 気 象 衛星の 情 報 利 用 技 術(12][13]等 が 、 船 の 安 全 性 に 対 す る 信 頼 度 を さ ら に 高 め て い る 。し か し な が ら 、 地 球 上 の 大 海 に お い て 動 揺 す る 船 の 動 力 学 的 機 構 に 古 代 と 現 代 の 問 の 差異 が あ る わ け で は な く 、 船 の 安 全 性 、 乗 り 心 地 等 に 関 連 が 深 い 動 揺 軽 減 に 対 す る 更 な る 希 求は 、 船 の 乗 組 員 、 乗 客 等 だ け で は な く 、 客 船 、 海 洋 調 査 船 等 の 高 性 能 な 船 の 設 計 者 に と っ て も 切 実 で あ り 、 古 く て 新 し い 課 題 と し て 残 さ
れている。
本 研 究 で は 、 こ の 課 題 に 対 す る 答 え の 一 つ で あ る 船 の 動 揺 軽 減 の た め の 装 置 に つ い て 考 究 す る 。 動 揺 軽 減 装 置 と し て は 、 船 の 装 置 と し て 最 も 歴 史 が 永 く 、 最 近 そ の 見直 し が 盛 ん に な さ れ て い る 動 揺 軽 減 タ ン ク を 研 究 対 象 と し て 選 定 す る 。 本 章 で は 、 研 究 の 目 的 と 背 景
に つ い て 述 べ
、ま た 研 究 の 内 容 と 構 成 に つ い て 概 要 を 説 明 す る
。1 . 2 船 の 動 揺 軽 減 に 関 す る 研 究 の 状 況
カ リ ブ 海 を 中 心 と す る ク ノ レ ー ズ ビ ジ ネ ス の 伸 張 に 伴 っ て 、久 し ぶ り に 世 界 の海 運 界 に は 、 ク ノ レ ー ズ 客 船 、 豪 華 客 船 ブ ー ム が 訪 れ て い る
[ 1 4 ]
。海 上 生 活 に 不 慣 れ な 客 を 乗 船 さ せ る 客 船 の 設 計 で は 、乗 り 心 地 の観 点 か ら 動 揺 軽 減 の 対 策 が 重 要 な 問 題 と な っ て く る 。ま た 、海 洋 空 間 の 高 度 利 用 計 画 に 関 連 し て 建 造 さ れ る 海 洋 調 査 船 、 海 洋 開 発 支 援 船 等 に お い て も 、 そ の 作 業 性 能 か ら の 要 求 に よ り 、 動 揺 軽 減 の 設 計 値 が 厳 し く 定 め ら れ る 場 合 が あ る 。 一 般 に 、 船 の 動 揺 軽 減 を 考 え る 場 合 に 、設 計 者 の 立 場 か ら 採 用 で き る 対 策 は 大 略 次 の 三つ に 分 けることがで、きる 。(1)船 体 と 独 立 さ せ た 客 室 を 設 け、そ の 客 室 の 動 揺 を 制 止 さ せ る 方 法
( I I )
動 揺 の 少 な い 船 型 の 開 発( 1 I I )
船体 の 動 揺 軽 減 装 置 の 装 備本 研 究 の 目 的 は
( I I I )
の 対 策 を 考 究 し 、そ の 対 策 を 実 現 す る 一方 法 を 提 案 す る こ と で あ る が 、( 1 )' " ' ‑ ' ( I I I )
の 対 策 は 相 互 に 関 連 し て い る の で 、 そ れ ぞ れ の 対 策 ご と に 、こ れ ま で の 研 究 の 歴 史 と 背 景 に つ い て 概 観 す る 。1 . 2 . 1
対 策( 1 )
の 研 究 の 状 況(1)の 対 策 は 、 船 の 居 住 区 ( 例 え ば、客 室 ) を 主 船 体 か ら 構 造 的 に 分 離 し 、そ れ ら の 聞 を 支 持 装 置 に よ っ て 連 結 す る こ と に よ り、波浪中で、
船 体 が 動 揺 し て も 支 持 装 置 を 伸 縮 あ る い は 支 持 装 置 の 廻 り に 居 住 区 の 回 転 を 許 し て 居 住 区 に 船 体 の 動 揺 が 伝 達 さ れ な い よ う に 工 夫 さ れ
た 機 構 を 利 用 す る 方 法 で あ る 。 こ の 対 策 の 典 型 的 な ア イ デ ア は す で に
1869
年 にB
回s e r n e r
に よ っ て パ テ ン ト が 取 得 さ れ て 、IBessemer‑Salonship J
と し て 実 船 に も 装 備 さ れ た 例 が 報 告 さ れ て 、 そ の 有 効 性 が 実 証 さ れ た と 言 わ れ て い る
[ 1 5 ] 0
最 近 で は 、 油 圧 制 御 技 術 、 計 算 機 、制 御 理 論 等 の 発 達 を 背 景 に し た 、 揺 れ な い 客 室 を 備 え た 船 の 開 発 が 進 め ら れ て い る[ 1 6 ][ 1 7 ]
。 こ の 対 策 は 、 海 上 の 居 住 区 の 動 揺 制 止 能 力 を 有 す る も の の 船 体 そ の も の の 動 揺 抑 止 と は 異 な る の で 、 船 の 動 揺 に 関 連 し た 安 全 性 を 確 保 す る 立 場 か ら の 解 決 策 と は な っ て い な い 。1 . 2 . 2 対 策 ( 1 1 ) の 研 究 の 状 況
( I I )
の 対 策 が 船 の 設 計 に 反 映 す る 形 で 現 実 な も の と な っ た の は 比 較 的 最 近 で あ る[ 9 ] 0
動 揺 の 少 な い 船 型 開 発 を 可 能 に す る 手 段 の 実 用 化 は 、 船 体 動 揺 理 論 の 発 達 に 依 る と 言 っ て も 過 言 で は な い 。 そ こ で 、 簡 単 に 船 体 動 揺 理 論 の 発 達 の 歴 史 を 振 り 返 り 、 動 揺 計 算 理 論 の 発 達 の 側 面 か ら 動 揺 の 少 な い 船 型 開 発 の 研 究 の 現 状 に つ い て 説 明 す る 。波 浪 中 の船 体 動 揺 計 算 理 論 の 定 式 化 は 、 横 揺 運 動 計 算 法 が
1860
年にFroude[ 1 8 ]
によって 、ま た 縦 運 動 計 算 法 が1896
年 お よ び1898
年 にKrylov [ 1 9 ] [ 2 0 ]
に よ っ て 発 表 さ れ た こ と に よ り 始 ま る 。 以 来 約 半 世 紀 以 上 の 問 、 本 質 的 な 進 展 は ほ と ん ど 見 ら れ な か っ た が 、1955
年 お よ び1957
年 にKorvin‑Kroukovsky[ 2 1 ] [ 2 2 ]
によって 、線 形 ス ト リ ッ プ 理 論 の 考 え 方 が 導 入 さ れ 、さ ら に 、 渡 辺[ 2 3 ]
に よ っ て 理 論 が 明 確 な 形 で 提 示 さ れ た 。 一 方 、U r s e l l[ 2 4
ト 田 才[ 2 5 ] [ 2 6 ]
ら に よ っ て 、 船 体 横 断 面 に 作 用 す る 流 体 力 を2
次 元 流 体 理 論 に 基 づ い て 計 算 す る 方 法 が 発 表 さ れ 、 規 則 波 中 船 体 運 動 の 計 算 法 が 実 用 化 さ れ た 。 即 ち 、 福 田[ 2 7 ] [ 2 8 ]
によって 上 下 揺 と 縦 揺 の 計 算 法 が 、 さ ら に 、 回 才[ 2 9 ][ 3 0 ]
に よ っ て 左 右 揺、船 首 揺 お よ び 横 揺 の 計 算 法 が 示 さ れ た 。 こ の 船 体 動 揺 計 算 法 と 船 体 動 揺に 深 い 関 連 が あ る 波 浪 荷 重 計 算 法 と を あ わ せ て
OrdinaryS t r i p i V I e t h o d (O . S . M . )
と 称 さ れ る[ 7 ] 0
上 記 の 方 法 の 他 に 、NewS t r i p Method ( N . S . M . ) [ 3 1 ]
、S a l v e s e n ‑ τ u c k ‑ F a l t i n s e n( S . T . F . M . ) [ 3 2 ]
等 の 方 法 が あ る が 、 こ れ ら の 各 方 法 に よ る 計 算 結 果 の 相 違 は 小 さ く 、 実 用 的 見 地 か ら は 、 い ず れ の 方 法 を 用 い て も 大 差 は な い 。 さ ら に 、3
次 元 特 異 点 分 布 法 を 用 い た 精 密 な 計 算 法[ 3 3 ] [ 3 4 ]
も 研 究 さ れ て お り 、 船 体 横 断 面 形 状 ( フ レ ー ム ラ イ ン ) の 影 響 を よ り 厳 密 に 考 慮 、 で き る 方 法 と し て 動 揺 の 少 な い 船 出 開 発 に お け る 有 力 な 手 段 に な る も の と 期 待 さ れ て い る 。 た だ し 、 計 算 機 の 演 算 時 間 の 制 約 等 で 未 だ 解 決 す べ き 課 題 が 残 さ れ て お り 、 実 用 に 耐 え る 段 階 に 至 る ま で に も う 少 し 時 間 を 要 す る よ う で あ る 。 以 上 の 船 体 動 揺 理 論 の 研 究 史 を 踏 ま え て 、 船 体 動 揺 軽 減 の た め の 船 型 設 計 の 要 点 と し て 、 別 所[ 3 5 ]
は 、 次 の3
つ の 条 件 を 挙 げ て い る 。a )
同 調 を 避 け るb )
波 強 制 力 を 小 さ く す るc )
ダ ン ピ ン グ を 大 き く す る対 策
( I I )
を 施 し て 船 型 の 設 計 が 行 わ れ た 船 は い ず れ も、そ の 建 造
さ れ た 時 代 に 利 用 で き る 船 体 動 揺 理 論 を 適 用 し 、a ) ' " ' " ' c )
の 要 点 の い ず れ か あ る い は 複 数 の 要 点 に つ い て 配 慮 、 し て 船 型 の 選 択 が な さ れ て し¥る。例 え ば 、 歴 史 的 に 代 表 的 な 例 は 、 ロ シ ア 皇 帝 の ヨ ッ ト
" l
川a d i a
号"[3 6 ]
で あ ろ う 。 こ の 船 は 、 極 端 なl
幅 広 浅 吃 水 船 型 ( T ur b o t ‑ s h a p e d ‑ s h i p )
と し て 設 計 さ れ て お り 、 要 点a )
とc )
に 配 慮 、 し て 、 「 船 幅 よ り 短 い 波 と の 同 調 を 避 け る こ と と ダ ン ピ ン グ を 大 き く す る こ と 」 を 狙 っ て 、 船 型 が 定 め ら れ て い る 。 イ ギ リ ス よ り 黒 海 ま で の 処 女 航 海 の お り に ビ ス ケ ー 湾 で 激 し い 嵐 に 出 会 っ た に も か か わ ら ず 揺 れ が 少 な く 安 定 し た 航海 が で き た こ と が 報 告 さ れ て お り 、 F r
o u d e ‑K r y l o v
の 動 揺 計 算 理 論 が 適 用 さ れ て い る 点 に 研 究 史 の 側 面 か ら 興 味 が あ る が 、L i v a d i a
号 は 通 常 よ り か な り 大 き な 船 幅 を も つ の で 比 較 的 長 い 波 長 の 波 に つ い て ま で 横 揺 を 小 さ く 抑 え る こ と が で き る も の の 、 船 幅 は 有 限 で あ る の で 、 そ の 特 性 に 限 界 が あ る こ と も 自 明 で あ る 。次 に 、 対 策
( I I )
を 施 し た も う 一 方 の 典 型 的 な 船 の 例 と し て 、 ハ ス キ ン ト の 定 理[ 3 7 ]
を 利 用 す る こ と に よ り 、 波 強 制 力 を 受 け な い 、 あ る い は 極 小 の 船 型 を 追 求 す る も の で 、 通 常 静 的 復 原 力 が 小 さ く 水 線 面 積 の 小 さ い 船 型 が 挙 げ ら れ る 。 具 体 例 と し て 、S ¥ t VATH
、 セ ミ サ ブ リグ 等 で あ る
[ 1 0 ] 0
未 来 タ イ プ の 船 の 船 型 と し て こ れ か ら も 、 こ の 方 面 の 研 究 開 発 が 続 け ら れ る も の と 考 え る が 、 一 般 に 、 積 荷 、 運 航 形 態 等 の 要 求 か ら 船 型 が 排 水 量 型 に 特 定 さ れ る 場 合 も 多 く 実 際 問 題 と し て 対 策( I I )
を 施 す こ と が で き る 船 に 用 途 の 面 で 制 限 が あ る こ と も 事 実である。1 . 2 . 3
対 策( 1 1 1 )
の 研 究 の 状 況( I I I )
の 対 策 は 、 船 に 動 揺 軽 減 装 置 を 別 に 装 備 す る 方 法 で あ り 、 船 の 推 進 方 法 が 帆 船 か ら 動 力 船 へ 移 行 し た 際 の 横 揺 増 大 に 対 す る 対 策 と し て 研 究 が 始 ま っ た 。 装 置 の 種 類 と 分 類 、 な ら び に 発 達 史 は 次 節 で 詳 し く 述 べ る が 、 以 下 に お い て こ の 方 面 の 研 究 の 状 況 を 概 略 説 明 す る 。 動 揺 軽 減 装 置 を 分 類 す る 基 準 と し て 、 船 の 動 揺 の 抑 制 力 を ど の よ う な 原 理 で 発 生 さ せ 作 動 さ せ る か 、 ま た 、 制 御 入 力 の 制 御 方 式 とし て ど の よ う な 方 式 を 採 用 す る か 、 が 挙 げ ら れ る 。
制 御 方 法 と し て は 現 在 、 実 際 の 現 場 に お い て 広 く 用 い ら れ て い る 古 典 制 御 理 論 に 基 づ く
PID
制 御 や 、 現 代 制 御 理 論[ 3 8 ]
に 基 づ く 最 適 レ ギ ュ レ ー タ ー の 他 に も 、 ロ バ ス ト 制 御 理 論 、 ニ ュ ー ラ ノ レ ネ ッ ト ワ ー ク 、適 応 制 御 理 論
[ 3 9 ]
等 を 利 用 し た も の の 適 用 が 実 用 的 に な り つ つ あ る 。 動 揺 抑 制 力 の 発 生 原 理 に つ い て の 分 類 と し て は 、 固 体 の 運 動 ( 移 動 、 回 転 ) を 利 用 す る も の と 流 体 の 運 動 を 利 用 す る も の に 大 き く 分 け られる[ 4 0 ]
。 前 者 に 属 す る 動 揺 軽 減 装 置 と し て 重 錘 移 動 装 置 、ジャイ ロ ス タ ビ ラ イ ザ 一 等 が あ り 、 後 者 に 属 す る 動 揺 軽 減 装 置 と し て 、 ビ ノレジキーノレ、フィンスタビライザ一、舵、 動 揺 軽 減 タ ン ク 等 が 挙 げ ら れる。以 上 の よ う な 動 揺 軽 減 装 置 は 、 制 御 方 式 の 種 類 と 動 揺 抑 制 力 の 発 生 原 理 の 種 類 と の 組 合 せ に よ っ て 分 類 さ れ 、 さ ら に 制 御 の 強 弱 に よ っ て 、 受 動 型 、 受 動 制 御 型 、 能 動 型 に 分 け ら れ る 。 い ず れ の 形 式 も そ の 原 理 等 が 最 初 に 提 案 さ れ て よ り か な り 長 い 年 月 を 経 て お り 、 そ の 聞 に 大 い に 発 展 利 用 さ れ た 形 式 の 装 置 、 余 り 利 用 さ れ な か っ た 形 式 の 装 置 等 様 々 で あ る 。 長 い 間 全 く 顧 み ら れ な か っ た 重 錘 移 動 装 置 、 一 時 大 い に 利 用 さ れ た が し ば ら く の 間 利 用 が 下 火 に な っ た 動 揺 軽 減 タ ン ク 等 の 見 直 し が 、 最 近 、 盛 ん に 行 な わ れ て い る
[ 4 l ] [ 4 2 ] 0
そ の 主 要 な 理 由 は 、 現 在 多 用 さ れ て い る フ ィ ン ス タ ビ ラ イ ザ ー で は 滅 揺 効 果 が ほ と ん ど 期 待 で き な い 停 泊 時 ・ 低 速 航 行 時 に お い て も 、 滅 揺 効 果 が 格 段 に 期 待 で る こ と に あ る が 、 そ れ に 加 え て 、 油 圧 制 御 技 術 、 計 算 機 、 制 御 理 論 等 の 飛 躍 的 発 達 に よ り、従 来 の 装 置 の 性 能 の 大 幅 な 改 善 あ る い は 新 た な 機 能 の 開 発 等 が 期 待 さ れ る こ と に 依 る も の と 思 わ れ る 。 動 揺 軽 減 タ ン ク は 、 多 い に 利 用 さ れ 注 目 を 集 め た 時 期 と し て 次 の4
つ を 挙 げ る こ と が で き る 。 ま ず、第1
に、Froud e ‑ Krylov
の 理 論 が 提 示 さ れ た 船 体 動 揺 計 算 理 論 の 研 究 の 揺 藍 期 に 、 軍 艦 や 豪 華 客 船 へ の 装 備 が 計 画 さ れ 動 揺 軽 減 タ ン ク の 素 朴 な 設 計 法 が 完 成 を み た 時 期 で あ る 。 第2
に1 9 6 0
年 代 に コ ン テ ナ 船 が 出 現 し 、 動 揺 軽 減 タ ン ク の 装 備 が 計 画 さ れ た 時 期[ 4 3 ]
、第3
に1 9 7 0
年 代 の カ ー フ ェ リ ー 出 現 に よ り動 揺 軽 減 タ ン ク の 装 備 が 計 画 さ れ た 時 期
[ 4 4
ト 第4
にクノレーズ客船、海 洋 調 査 船 等 あ ら ゆ る 航 海 条 件 に お い て 動 揺 軽 減 が 要 求 さ れ る 高 性 能 船 の 建 造 が 計 画 さ れ て い る 現 在 で あ る 。
動 揺 軽 減 タ ン ク に 関 す る 研 究 報 告 も こ れ ら の 時 期 に 集 中 し て な さ れ て い る 。第
1
の 時 期 に お け る 研 究 で は 、 F roud
e‑Krylov
の 動 揺 計 算 理 論 を 採 用 し 船 体 運 動 の 中 の 横 揺 の み を 取 り 扱 い タ ン ク 内 の 液 体 運 動 と 横 揺 の 連 成 運 動 を2
重 振 子 と し て モ デ ノ レ 化 し 動 吸 振 器[ 4 5 ]
と同 様 な 考 え 方 で 定 式 化 が な さ れ て い る 。 タ ン ク 内 の 液 体 運 動 をu ‑
字 管 理 論[ 4 6 ]
を 適 用 し て 解 析 す る も の で、渡 辺[ 4 7 ]
に よ り 系 統 だ っ た 理 論 が 提 示 さ れ て お り 、 渡 辺 の 理 論 は 当 時 の 研 究 の 集 体 成 で あ っ て 、 そ の 後 現 在 ま で 動 揺 軽 減 タ ン ク に 関 す る 研 究 に 大 き な 影 響 を 及 ぼ し て し¥る。
横 揺 以 外 の 船 体 運 動 ま で 考 慮 し た 研 究 と し て は 、 F r
oud
e‑Krylov
の 仮 定 の も と に 左 右 揺 、 横 揺 お よ び タ ン ク 内 流 体 運 動 の 連 成 運 動 方 程 式 を誘導した¥lV e b s t e r
の 研 究[ 4 8 ]
が よ く 知 ら れ て い る 。斜 波 中 で 船 体 が 運 動 す る 場 合 、そ の 運 動 は 横 揺 だ け で な く 、 一般 に 、 上 下 揺 、 縦 揺、 前 後 揺 、 左 右 揺 、船 首 揺 を 伴 う 。 こ れ ら の 船 体 運 動 を す べ て 考 慮 、 し て 動 揺 軽 減 タ ン ク を 考 慮 、 で き る よ う に な っ た の は 、 前 述 のO . S . M.
等 の 規 則 波 中 船 体 運 動 計 算 法 の 実 用 化 が 計 ら れ て か ら で あ る 。 即 ち 、 造 波 理 論 的 考 察 に よ り 高 石[ 4 9 ]
は 斜 波 中 に お け る 左 右 揺 、 船 首 揺 、横 揺 お よ び 動 揺 軽 減 タ ン ク と の 連 成 運 動 方 程 式 を 導 き 解 析 し て お り、平 野[ 5 0 ]
は 、 回 才 の 理 論[ 2 9 ] [ 3 0 ]
を 基 礎 に し て 、Fra h r n
式 滅 揺 タ ン ク( [ 5 1] ;
次 節 で 詳 述 す る ) を 装 備 し た 船 の 横 波 中 の 運 動 方 程 式 を 求 め 、 従 来 のFroude ‑ Krylov
の 仮 定 に 基 づ く 理 論 と の 比 較 検 討 を 行 っ て い る 。こ の よ う に 、動 揺 軽 減 タ ン ク の 問 題 を 取 り 扱 う 上 で、船 体 運 動 計 算 法 の 利 用 に お い て F r
oud
e‑Krylov
の 動 揺 計 算 法 か らO . S . M.
の 適 用 へと 大 幅 の 改 良 が み ら れ た が 、 タ ン ク 内 部 流 体 の 運 動 の 解 析 で は 渡 辺 の 理 論
[ 4 7 ]
が 踏 襲 さ れ て お り 、 い わ ゆ るu ‑
字 管 理 論 が 適 用 さ れ る こ と が 多 い。最 近 に な っ て 、 著 者 ら [ 5 2 ] [ 5 3 ] [ 5 4 ]
に よ っ て タ ン ク 内 部 流 体 の 運 動 を 数 値 解 析 法[ 5 5 ]
を 適 用 し て 精 密 に 解 析 し 、 動 揺 軽 減 タ ン ク の 特 性 を よ り 合 理 的 に 判 定 す る 方 法 が 提 示 さ れ る よ う に な っ た 。広 い 範 囲 の 波 周 期 に 対 し て 動 揺 軽 減 タ ン ク の 効 果 を 維 持 す る た め に は 、 受 動 制 御 型 あ る い は 能 動 型 の シ ス テ ム を 考 慮 す る 必 要 が あ る 。 こ れ ま で に 、 受 動 制 御 型 動 揺 軽 減 タ ン ク に 関 す る 研 究
[ 5 6 ] [ 5 7 ] [ 4 1 ]
や 能 動 型 動 揺 軽 減 タ ン ク に 関 す る 研 究[ 5 8 ] [ 4 8 ]
も 二 、 三 報 告 さ れ て いる が 、 能 動 化 さ れ た タ ン ク シ ス テ ム の 設 計 に お い て 、 重 要 な 要 点 と な る 、 タ ン ク 形 状 、 内 部 流 体 の 挙 動 お よ び 粘 性 の 影 響 等 の 基 本 的 な タ ン ク 特 性 の 解 明 が 、 こ れ ら の 研 究 に お い て は な さ れ て お ら ず 、 能 動 型 タ ン ク シ ス テ ム の 機 能 を 十 分 に 精 度 よ く 評 価 し 解 析 す る 方 法 が 確 立 さ れ て い る と は 言 え な い 。 最 近 、 著 者 ら
[ 5 9 ] [ 6 0 ]
に よ っ て こ の 方 面の 研 究 の 端 諸 が 開 か れ つ つ あ る 。
1 . 3 船 舶 動 揺 軽 減 装 置 の 概 念 と 形 式
1 . 3 . 1 動 揺 軽 減 装 置 の 発 達 の 経 緯
本 節 で は 、 前 節 で 述 べ た
3
種 類 の 動 揺 軽 減 法 の う ち 、 対 策( I I
I)の 船 体 動 揺 軽 減 装 置 の 形 式 と 種 類 に つ い て 歴 史 的 変 遷 を 踏 ま え て 紹 介 し 、 動 揺 軽 減 装 置 全 体 の 中 で の 滅 揺 タ ン ク の 位 置 付 け を 明 確 に す る と と も に、こ れ ま で 開 発 さ れ て き た 装 置 の 設 計 法 の 問 題 点 に つ い て
言 及 す る 。人 聞 が 利 用 す る 多 く の 乗 り 物 の 中 で も 、 船 の 歴 史 が 最 も 永 く 、 動 揺 軽 減 装 置 の 開 発 の 歴 史 も 永 い。こ れ ま で に 開 発 さ れ た 装 置 の 数 は 膨 大 で あ り 、 そ の 形 式 と 種 類 は 多 岐 に わ た る 。船 舶 に 装 着 さ れ た 動 揺 軽 減 装 置 は 、 前 節 で 述 べ た よ う に 船 の 推 進 方 法 が 帆 船 か ら 動 力 船 へ 移 行 す る 際 に真剣 に 開 発 が 開 始 さ れ た 。
1 '
汎 に 働 く 風 力 の 横 揺 に 対 す る 動 的 抑 止 効 果 が 期 待 で き な く な っ た 動 力 船 に 対 し て 、1 9
世 紀 末 に 種 々 の 形 式 の 装 置 が 工 夫 提 案 さ れ 実 用 に 供 さ れ る よ う に な っ た 。こ の よ う な 動 揺 軽 減 装 置 の 実 用 例 の 変 遷 に つ い て は 、
C h a d w i c k[ 4 0 ]
が 詳 細 に 調 査 し て お り 、 ま た
、渡 辺 [ 6 1 ]
に よ りC h a d w i c k
の 資 料 に 対 す る 補 正 が 行 わ れ1 9 6 9
年 ま で の 資 料 が 精 査 さ れ て い る 。 本 論 文 で は 、C h a d w i c k
と 渡 辺 の 資 料 に さ ら に 補 足 し て1 9 9 4
年 ま で の 動 揺 軽 減 装 置 の 実 用 例 を 年 表 の 形 式 で 示 す こ と に す る 。 年 表 をT a b l e 1 . 1
に 示 し て い る 。年 表 記 載 の 人 名 は 設 計 者 ま た は 機 関 の 名 前 で あ る 。 こ れ ま で に 考 案 さ れ た 装 置 の 種 類 と し て は 、 ビ ノ レ ジ キ ー ノ レ 、 減 揺 タ ン ク 、 重 錘 移 動 横 揺 軽 減 装 置 、 ジ ャ イ ロ ス タ ビ ラ イ ザ 一、フ ィ ン ス タ ビ ラ イ ザ 一
等 が 挙 げ ら れ る 。年 表 は 、 動 揺 軽 減 装 置 を こ れ ら の 種 類 ご と に 分 け る と と も に、そ の 装 置 が 最 初 に 実 船 に 装 備 さ れ た 年 代 を 基 に 作 成 し
て い る 。 同 じ 種 類 で も 、 装 置 の 形 式 、 制 御 方 法、
制 御 項 目 等 が 異 な るの で そ の 区 別 を 明 示 し 付 記 し て い る 。
1 8 6 5
年までにFro u d e[ 6 2 ]
に よ り そ の 効 果 が 検 討 さ れ た ビ ノ レ ジ キ ー ノ レ を 始 め と し て 、 動 揺 軽 減 装 置 の ほ と ん ど が1 9世 紀 末 ま で に 出 揃 っ
て い る。即 ち 、 滅 揺 タ ン ク は 1 8 8 0
年 、 重 錘 移 動 横 揺 軽 減 装 置 は1 8 9 1
年 、 ジ ャ イ ロ ス タ ビ ラ イ ザ ー は1 8 9 1
年 に 考 案 さ れ て お り 、 フ ィ ン ス タビ ラ イ ザ ー の み
1 9 2 5
年 に 基 本 の 機 構 が 考 案 さ れ て い る 。 そ の 後 、 そ れ ぞ れ の 装 置 ご と に 、 制 御 方 法 、 制 御 項 目 等 に 倉 i J 意 工 夫 が な さ れ 、 第2次 世 界 大 戦 の 勃 発 ま で 緩 や か な 発 達 が 続 い た 。 ジ ャ イ ロ ス タ ビ
ラ イ ザ 一 、 フ ィ ン ス タ ビ ラ イ ザ 一 等 は 本 質 的 に 能 動 型 で あ り 、 動 揺 軽 減 装 置 開 発 の 草 創 期 に お い て 考 案 さ れ て い た こ と が 注 目 さ れ る 。 第
2
次 大 戦 後 は 、 ヨ ー ロ ッ パ 諸 国 と 米 国 を 中 心 に 、 装 置 の 能 動 化 と そ の 性 能 向 上 に 研 究 の 重 点 が 置 か れ て 開 発 が 進 行 し 現 在 ま で そ の 傾 向 は 続 い て い る が 、 開 発 の 経 緯 は 装 置 の 種 類 、 と 装 置 が 装 着 さ れ る 船 の 種 類 、 に よ っ て そ の 様 相 が 若 干 異 な る 。装置開発の草倉iJ期から第
2
次 世 界 大 戦 ま で の 対 象 船 は 、 客 船 、 施 艇 等 が 主 で あ っ た が 、 戦 後 の 急 激 な 経 済 発 展 に 呼 応 し て 国 際 海 運 が 活 発 と な り 、 一 般 商 船 の 大 型 化 と 高 速 化 が 計 ら れ て 、 こ れ ら の 船 舶 の 動 揺 軽 減 の 問 題 が 注 目 を 集 め る よ う に な っ た 。 一 般 の 貨 物 船 や 油 槽 船 の 場 合 に は ピ ノ レ ジ キ ー ノ レ が 実 用 的 で あ り 、 こ の 装 置 単 独 で 利 用 さ れ る こ と が 一 般 的 で あ っ た が、高 速 の コ ン テ ナ 船 が 出 現 し て ビ ノ レ
ジ キ ー ノ レ だ け の 動 揺 軽 減 で は 不 十 分 と な り 、 他 の 動 揺 軽 減 装 置 と の 併 用 が 考 え ら れ る よ う に な っ た[ 6 1 ] 0
ま ず 、 貨 物 船 の 場 合 に は コ ス ト 的 な 面 か ら 受 動 型 横 揺 軽 減 タ ン ク が 注 目 さ れ 種 々 の 改 良 型 の 滅 揺 タ ン ク の 研 究 が 行 な わ れ 、 米 国 、 日 本を中心に 1960 年~
1 9 7 0
年 頃 に コ ン テ ナ 船 へ の 搭 載 が 実 行 さ れ て いる
[ 4 3 ] 0
ま た 、 モ ー タ リ ゼ ー シ ョ ン の 波 に 乗 っ て 建 造 さ れ た カ ー ブ エ リ一 自 動 車 運 搬 船 等 へ の 受 動 式 横 揺 軽 減 タ ン ク あ る い は フ イ ン ス タ ビ ラ イ ザ ー の 装 備 例 も 多 数 報 告 さ れ て い る
[ 4 4 ] 0
フ ィ ン ス タ ビ ラ イ ザ ー の 研 究 開 発 が ス ペ リ 社 等 で 行 わ れ て 比 較 的 安 価 に 入 手 で き る よ うに な り 、 現 在 の 装 備 例 と し て は ビ ノ レ ジ キ ー ノ レ を 除 け ば フ ィ ン ス タ ビ ラ イ ザ ー が 動 揺 軽 減 装 置 と し て 採 用 さ れ る 場 合 が 多 い よ う で あ る 。 し か し な が ら 、 コ ス ト 的 な 面 で 、 あ る 程 度 の 改 善 が な さ れ て も 、 フ ィ ン ス タ ピ ラ イ ザ ー は 低 速 航 行 時
、停 船 ・
停 泊 時 に は 特 別 の 場 合 を 除 き 有 効 に 作 動 し な い こ と が 明 ら か で あ る の で 、 巡 視 船 を 始 め と し て 、 ク ノ レ ー ズ 客 船 、 海 洋 調 査 船、海 洋 開 発 支 援 船 、 漁 業 調 査 船 等 に お い
て 滅 揺 タ ン ク の 装 備 例 が 多 く 見 ら れ 、 そ の 低 速 航 行 時 の 性 能 の 価 値 が 見 直 さ れ て い る[ 6 3 ] ' " ' ‑ ' [ 6 6 ] 0
ま た 、 米 国 海 軍 の 航 空 母 舷 ミ ッ ド ウ エ ー の 改 装 工 事 に 伴 っ て 動 揺 の 増 大 が 認 め ら れ 、 飛 行 機 の 発 粧
・
着 艦 の 阻 害 が 引 き 起 こ さ れ 、 そ の 対 策 と し て 開 放 型 の 横 揺 軽 減 タ ン ク が 装 着 さ れ 解 決 を み た 事 例 が、
最 近 報 告 さ れ て い る[ 6 7 ] 0
こ の 形 式 の 減 揺 タ ン ク は 、 1 .3 . 2で 述 べ る よ う
にFr
a h m
開 放 型[ 4 ]
と 呼 ば れ1 9 1 3
年 に そ の 機 構 が 提 案 さ れ た も の で あ る 。 最 先 端 の 技 術 の 結 品 で あ る 航 空 母 艦 へ の 滅 揺 タ ン ク の 採 用 は 、 対 象 の 船 の 構 造 や 性 能 か ら く る 制 約 等 に よ っ て 決 定 さ れ る も の と 推 測 さ れ る が 、 船 の 動 揺 軽 減 装 置 と し て の 減 揺 タ ン ク の 利 用 価 値 が 現 在 に お い て も 十 分 に あ る こ と の 一 つ の 証 で あ ろ う 。第
2
次 世 界 大 戦 後 の 高 度 成 長 期 と そ の 後 の 安 定 成 長 期 を 経 て、生
活 水 準 が 飛 躍 的 に 向 上 し 、 余 暇 の 利 用 方 法 が 見 直 さ れ は じ め て い る 。 近 年 、 ク ノ レ ー ズ 客 船 が 脚 光 を 浴 び る よ う に な っ た の も 、 こ の よ う な 背 景 に よ る も の と 思 わ れ る が、い わ ゆ る 、
より i快 適 な 海 洋 空 間 の 利 用 へ の 願 望 の 表 れ で あ り、海 上 ホ テ ノ レ の 建 造 、浮 体 構 造 に よ る 海 上 都
市・
海 上 空 港 の 計 画 等 に お い て 動 揺 軽 減 装 置 に 関 す る 関 心 は 高 く 、 実際 に 浮 体 構 造 物 へ 減 揺 タ ン ク を 装 着 す る 研 究
[ 6 8 ]
も 報 告 さ れ て い る 。 以 上 の 動 揺 軽 減 装 置 の 発 達 の 経 緯 を 見 て も 、 海 上 の 船 や 浮 体 構 造 物 に お け る 動 揺 軽 減 の 問 題 は 絶 え ず 設 計・
建 造 の 重 要 テ ー マ と な っ て い る こ と が わ か る 。 現 在 で も 装 置 の 改 良・
開 発 は 続 け ら れ て お り 、 動 揺 軽 減 装 置 の 高 性 能 化 と 新 し い 設 計 法 へ の 期 待 が 高 ま っ て い る もの と 思 わ れ る 。
1 . 3 . 2 動 揺 軽 減 装 置 の 分 類 と 減 揺 タ ン ク の 位 置 付 け
船 舶 に 装 着 さ れ た 動 揺 軽 減 装 置 の 歴 史 的 変 遷 に つ い て 説 明 し た が
、
動 揺 軽 減 装 置 は 、 そ の 形 式 だ け で も 多 岐 に 渡 っ て い る こ と が わ か る 。 そ こ で 、 木 研 究 で 取 り 上 げ る 滅 揺 タ ン ク が 各 種 動 揺 軽 減 装 置 の 中 で ど こ に 位 置 づ け ら れ 、 ど の よ う な 役 割 を 持 っ て い る の か を 明 確 に す る た め に 、 各 種 動 揺 軽 減 装 置 を 作 動 原 理 の 違 い に よ っ て 分 類 す る と と も に、そ の 特 徴 に つ い て 考 察 す る 。 分 類 の 方 針 の 大 筋 は Chadwick [ 4 0 ]
に な ら っ て い る が 、 理 解 を 容 易 に す る た め に 少 し 変 更 し て い る 点 がある。こ れ ま で に 考 案 さ れ た 各 種 の 動 揺 軽 減 装 置 は 、 一 般 に 、 船 体 以 外 の な ん ら か の 「 質 量 の 運 動
J
を 利 用 し て 動 揺 軽 減 を 実 現 し て い る 。Chadwick
は 、 こ の よ う な 「 質 量 の 運 動J
を 次 の 三 つ の 基 本 要 素 を 用 い て 分 類 し た 。 即 ち、
(1)質 量 の 相
( a .
流 体、b
.固 体 )( I I )
運 動 の 型( ι
質 量 の 移 動 ( 変 位 ) に 基 づ く ト ノ レ ク 、b .
質 量 の 加 速 度 運 動 に 基 づ く ト ル ク )( I I 1 )
運 動 の 作 動 場 所( a
船 体 の 内 側 、b .
船 体 の 外 側 )を 基 本 要 素 と し て い る 。
こ れ ら の 基 本 要 素 に 基 づ い て 作 動 原 理 を 分 類 す れ ば
( 1 )
、( I I )
なら び に( I I 1 )
の そ れ ぞ れ にa
とb
の 二 つ の 選 択 肢 が あ る の で 、8
通 り の 基 本 構 成[ a a a ， aba ， aab ， abb ， baa ， bab ， bba ， b b b ]
が 考 え ら れ る。動 揺 抑 制 力 の 発 生 原 理 の 基 本 構 成 の 相 関 図 を 図 示 す る とF i g .l
.1
の よ う に な る 。 質 量 の 相 が 流 体 で あ る か 国 体 で あ る か に よ っ て 図 の 左 右 に 別 け て 配 置 し て い る 。 な お 、 基 本 構 成 の 中 に は実 現 不 可 能 と 思 わ れ る 動 揺 抑 制 力 発 生 原 理 も 含 ま れ て お り 、 記 号 " "を用 い て 示 し て い る oaab
に つ い て は 、 例 え ば 、 帆 船 時 代 よ り 荒 海 に 遭 遇 し た お り の 対 策 の ーっ と し て 言 い 伝 え ら れ て い る 「 船 よ り 油 類 を 流 すJ
こ と 、 即 ち 船 の 周 り に 油 層 を 巡 ら す こ と に 対 応 す る と 考 え ら れ る 。 し か し 、 一 般 船 舶 の 動 揺 軽 減 に 対 し て は 現 実 的 な 方 策 と は 思 え な い の でC hadwi c k
に 従 っ て 記 号 " ー " を 附 す こ と と し た 。
さ て 、 動 揺 の 軽 減 を 実 現 す る 動 揺 抑 制 力 、 あ る い は ト ノ レ ク を 発 生 す る 力 学 的 機 構 ( 装 置 ) と し て 、 l .
3 . 1で 紹 介 し た よ う に こ れ ま で に
次 の よ う な 種 類 の も の が 考 案 さ れ て 、 実 用 に 供 さ れ て き た 。 即 ち 、タ ン ク
( T a n k ;Tk)
、 ド ー ナ ツ 型 タ ン ク(DoughnutTank; D.Tk)
、 ビノレジキーノレ・舵・フィン等( B i l g eK e e l ， Rudder ， F i n s ; F i n s )
、 重 錘 移 動 装 置 等( W e i g h t s h i f t ; W . s . )
、フライホイーノレ・ジャ イ ロ ス コ ー プ 等
( F l y w h e e l ， G y r o s c o p e ; Gyro
等 が あ げ ら れ る 。
各 装 置 を 略 記 号 ( 例 え ば 、
Tk ， D.Tk ， F i n s
等 ) を 用 い て 相 関 図 中 の 相 当 個 所 に 明 記 し て い る 。 装 置 に よ っ て は 、 作 動 原 理 は 、 基 本 構 成 の 中 の 一 つ あ る い は 幾 つ か の 組 合 せ と な っ て い る 。Chadwick[4 0 ]は 、 基 本
構 成 の 組 合 せ と し て 次 の1 0
通 り の 作 動 原 理 の 形 式 を 提 示 し て い る 。 即ち、質 量 の 相 が 流 体 の 場 合 :
Type 1 Type 2 Type 3 Type 4 Type 5 Type 6 Type 7
a a a aba abb
a a a ‑ + a b a a a a ‑ + abb aba
十abb
a a a ‑ + a b a + abb
質 量 の 相 が 固 体 の 場 合a
︑hu可hu
+
a a a
a1Da
可h
u
︑
huLUハU
Q U Q U 1 i
e e e
DAD
ムP A
v d v d v d T T T
以 上 の 各 形 式 に つ い て 、 具 体 的 な 動 揺 軽 減 装 置 を 例 に と り 、
Chadwick
[ 4 0 ]
、渡辺[ 6 1 ]
に 詳 し く 各 々 の 作 動 原 理 が 解 説 さ れ て お り 、 詳 細 は こ れ ら の 論 文 に 譲 る が 、 そ の 解 説 が や や 難 解 で あ る き ら い が あ る の で 、 本 研 究 で 取 り 上 げ る 滅 揺 タ ン ク の 位 置 付 け を 、 よ り 明 確 に す る た めに 作 動 原 理 の 各 形 式 の 特 徴 を 簡 単 に 説 明 し て お く 。
ま ず、質 量 の 相 が 流 体 の 場 合 の 形 式 は
Type 1~ 7に 対 応 し て い る 。 Type 1と Type 4は 、 い わ ゆ る 減 揺 タ ン ク の 形 式 に 対 応 し て お り 、 本 研
究 で 取 り 上 げ るu ‑
字 管 タ ン ク も こ の 形 式 に 含 ま れ る 。Type1
はトリミ ン グ タ ン ク や ヒ ー リ ン グ タ ン ク に 対 応 し
Type 4
の 特 殊 な 場 合 で あ る の でType4
に つ い て 説 明 す る 。Type4は 、 船 体 内 側 の タ ン ク 内 流 体
の 運 動 ( 以 下 タ ン ク シ ス テ ム ) の 加 速 度 お よ び 移 動 を 利 用 す る 形 式 の 作 動 原 理 で あ り 、 船 体 運 動 と タ ン ク シ ス テ ム の 力 学 系 に お け る 二 重 振 子 の 性 質 を 利 用 す る 動 揺 軽 減 装 置 に 対 応 す る 。 そ の 力 学 的 性 質 から、向 調 点 近 傍 で は 動 揺 軽 減 効 果 が あ る が 、そ れ 以 外 の と こ ろ で
動 揺 が 逆 に 増 大 す る 傾 向 に あ り、
タ ン ク の 設 計 に 十 分 な 配 慮 、 を 必 要とすると言われている。適切に設計されたタンクの滅揺効果は 60%~
70%
程 度 で あ る[ 6 1 ]
。 こ の 形 式 の 装 置 は 、1 8 8 3
年に¥tV a t t[ 6 9 ] ( 7 0 ]
により 提 案 さ れ た 自 由 表 面 型 の タ ン ク が 最 初 で あ り 、 そ の 後 、 F rahm[ 5 1 ]
ら に よ り 、 制 御 を 行 わ な い ( 受 動 式 の ) 減 揺 タ ン ク( u ‑
字 管 型 ) へ と 開 発 改 良 さ れ 、 そ の 基 本 構 造 が 確 定 し 、そ の 後 船 体 運 動 と タ ン ク シ ス テ ム の 力 学 系 の 解 析 法[ 7 1 ] [ 7 2 ] [ 4 7 ] [ 4 8 ] [ 5 0 ]
の 進 歩 に 伴 っ て 能 動 型 を 含 む 種 々 の 改 良 型 が 提 案 さ れ て 現 在 に 至 っ て い る[ 7 3 ]
。 受 動 式 タ ン ク は 動 力 を 必 要 と せ ず 構 造 が 簡 単 で あ り 、 過 去 非 常 に 多 く の 採 用 例 が あ っ た こ と は 前 節 で 述 べ た 通 り で あ る が 、 こ の 形 式 の 性 能 を よ り 高 め て 利 用 す る た め に は 能 動 化 が 不 可 欠 で あ り 、 本 研 究 の 主 要 課 題 で あ る の で 、 減 揺 タ ン ク の よ り 詳 し い 形 式 の 体 系 化 と そ の 課 題 に つ い て は1 . 3 . 3
で 詳 述 す る 。Type 2は 、 ド ー ナ ツ 型 タ ン ク に 対 応 し て お り 、 タ ン ク 内 の 流 体 の
回 転 運 動 に よ る ジ ャ イ ロ 効 果 を 制 御 力 発 生 原 理 に 利 用 す る 装 置 で あ る 。 質 量 が 流 体 で あ る の で ジ ャ イ ロ ス タ ビ ラ イ ザ ー に 比 較 し て そ の 性 能 が 落 ち る こ と は 明 ら か で あ り 、 軸 系 の 制 振 タ ン ク[ 7 4 ]
と し て 利 用 さ れ た 例 が あ る 外 に は 船 体 動 揺 軽 減 に 応 用 さ れ た 実 例 は な い 。Type 3
は 、 例 え ば 、 ビ ノ レ ジ キ ー ル 、 舵 、 フ ィ ン ス タ ビ ラ イ ザ 一 等 に 対 応 し て い る 。 船 体 か ら 突 き 出 た 板 に 水 流 が 当 り 横 揺 あ る い は 縦 揺 に 抗 す る 抵 抗 モ ー メ ン ト を 発 生 さ せ る 装 置 で あ る 。 ビ ノ レ ジ キ ー ノ レ は 装 置 と し て 最 も 簡 単 で 有 効 な 手 段 で あ り、古くより、 ま た 現 在 で も 広 く 使 用 さ れ て い る 。 し か し 、 高 速 域 で は ピ ノ レ ジ キ ー ノ レ よ り も フ ィ ン 等 の ほ う が 減 揺 効 果 が 大 き く、 船 体 の 抵 抗 増 加 に 及 ぼ す影 響 も 比 較 的 少 な い こ と が 明 ら か に さ れ て い る 。 こ の 装 置 は 、 「 減 揺 タ ン ク を 装 着 し て ビ ノ レ ジ キ ー ノ レ を 省 略 で き る かJ
等 の 重 要 な 問 題 に 関 っ て い る が 、 一 応 、 本 研 究 の 目 的 の 対 象 外 で あ る の で 、 関 連 す る 研 究 論 文と し て 、 渡 辺 ・ 井 上
[ 7 5 ]
、 池 田 ら[ 7 6
卜 梅 田 ら[ 7 7 ]
を あ げ る に と ど め る。
舵 が 横 揺 性 能 に 影 響 を 及 ぼ す こ と は 昔 よ り 知 ら れ て お り 、 小 型 船 では 波 の 中 で 舵 の 操 作 に よ り 横 揺 の 軽 減 を 図 る こ と も 周 知 の こ と で あ る
。操 縦 性 の 分 野 で 船 体
・舵の流体力 の 計 算 法 の 進 歩 、 制 御 理 論 の 応 用 に よ り 、 舵 と 横 揺 の 関 係 、 舵 に よ る 横 揺 軽 減 問 題 等 が 論 じ ら れ て いる[ 7 8 ] [ 7 9 ]
が 、 一 般 船 舶 の 動 揺 軽 減 装 置 と し て は 、 舵 は2
次 的 な 役 割 で し か な い 。 フ ィ ン ス タ ビ ラ イ ザ ー は 1 .3 . 1
で 述 べ た よ う に 元 良 博 士[ 8 0 ]
の 創 案 に よ る も の で あ り 、 最 近 の 制 御 理 論 の 発 展 と と も に 研 究 開 発 例( 8 1 ]
も 多 数 報 告 さ れ る よ う に な っ て 、 そ の 性 能 の 改 善 と 信 頼 性 が 著 し く 増 し 、 客 船 、 コ ン テ ナ 船 、 カ ー フ ェ リ 一 、 高 速 貨 物 船 等 に 採 用 さ れ る 例 が 多 く な っ て い る。所 要 場 所 等 が さ ほ ど 大 き く な く 、 そ
の 効 果 が 顕 著 で 、 少 な く と も9 0 %程 度 の 動 揺 軽 減 効 果 が 期 待 で き る
と い わ れ て い る[ 4 ] 0
し か し な が ら 、 船 速 が 低 速 に な る と そ の 効 果 は 低 下 し 、停 船 ・停 泊 時 に は 特 別 な 場 合 を 除 き 無 効 と な る 欠 点 を 持 つ 。Type 5は 、 ダ ク ト プ ロ ペ ラ や 噴 流 等 を 利 用 す る 装 置 に 対 応 し て い
る 。 こ の 形 式 は 船 の 推 進 器 や バ ウ ス ラ ス タ ー と し て 利 用 さ れ る 場 合 が 多 く 、 少 な く と も 排 水 量 型 の 船 舶 で は 動 揺 軽 減 装 置 と し て 利 用 さ れ る こ と は な い 。
Type 6
お よ び7
は 、 海 水 ダ ク ト タ ン ク を 利 用 す る 装 置 に 対 応 し て いる。いわゆる、Frahm
開 放 型 の 海 水 ダ ク ト タ ン ク[ 4 ]で あ り 、 前 述 の
航 空 母 舷 ミ ッ ド ウ エ ー に 装 着 さ れ た 装 置 で あ る 。 受 動 型 の 研 究 と し て 、 横 揺 に 対 す るP e l d[ 8 2 ]等 の 報 告 、 縦 揺 に 対 す る 根 角 [ 8 3
卜 田 坂 ら[ 8 4
ト 渡 辺 ら[ 8 5 ]
等 の 報 告 が あ る が 、 能 動 型 に 対 す る 研 究 は 少 な く 、 横 揺 に 対 す るH o r t[ 8 6 ] [ 6 7 ]
の 報 告 と 縦 揺 に 対 す る 著 者 ら の 報 告[ 8 7 ] [ 8 8 ]
が あ る 程 度 で あ る 。 減 揺 効 果 は 横 揺 に お い て 約50%
程 度 、 縦 揺 に お い て 約20%程 度 で あ る 。 こ の 形 式 も 減 揺 タ ン ク の 範 中 に あ る が 、 特 殊
な 場 合 を 除 い て 滅 揺 効 果 が さ ほ ど 期 待 で き な こ と が 解 っ て い る の で 本 研 究 の 対 象 外 と し て い る 。 た だ し 、 こ の 形 式 は 、
Type 1
とType 4
と 密 接 な 関 係 が あ る の で 1 .3 . 3
で 説 明 す る 減 揺 タ ン ク の 体 系 化 の 中 に 組 入 れ て い る 。次 に 、 質 量 の 相 が 固 体 の 場 合 の 形 式 が
Type 8 " ' " ' 1 0
である。Type 8
は、 重 錘 移 動 を 利 用 し た 装 置 に 対 応 し て い る 。 こ れ ま で に 、Thornycroft [ 8 9
卜Hort
ら の 研 究[ 9 0 ]
が あ る 程 度 で 、 余 り 利 用 さ れ る こ と が な か っ た が 、 最 近 に な っ て、こ の 形 式 の 力 学 系 が 単 純 で あ る こ と 、 そ の 特 性 を
解 析 す る こ と が 容 易 で あ る こ と が 注 目 さ れ 、 小 型 船 へ 適 用 す る た め の 基 礎 研 究 が 報 告 さ れ て い る[ 9 1 ][ 9 2 ] 0
減 揺 効 果 は 約45%
で あ る と い う。ただし、大 型 船 に お い て は 寸 法 が 大 き く な る と と も に 重 錘 の 重
量 が 長 さ の 三 乗 に 比 例 し て 大 き く な り 、 機 構 を 製 作 す る 技 術 の 面 で 不 利 で あ る と 思 わ れ る 。Type 9
と1 0
は 、 転 輸 と ジ ャ イ ロ に 対 応 し て い る 。 転 輸 は 回 転 速 度 を 可 変 に し て 動 揺 軽 減 を 行 う た め 、 転 輪 自 身 を 加 速 、 減 速 す る た め の 大 き な ト ノ レ ク と パ ワ ー が 必 要 で あ り 、 装 置 も 非 常 に 大 き な も の と な る 。 ジ ャ イ ロ は 受 動 型 の も の と し て 、S c h l i c k[ 9 3 ]
の 報 告 が あ り 、 能 動 苅u
で はSperry
の ジ ャ イ ロ ス タ ピ ラ イ ザ ‑[ 9 4 ]
が 提 示 さ れ て お り 、 実 船 に 搭 載 さ れ た ケ ー ス で60%
の 減 揺 率 を 示 し た と さ れ て い る が、ジャイ
ロ の 回 転 速 度 は 寸 法 が 大 き く な る に 従 っ て 増 大 す る の で、大 型 船 に
お い て は 不 利 で あ る こ と に よ り、最 近 で は 採 用 さ れ た 例 は ほ と ん ど
ない。1 . 3 . 3 減 揺 タ ン ク の 体 系 化 と 能 動 化 へ の 課 題
減 揺 タ ン ク の 作 動 原 理 が
Type1
お よ びType4
に 対 応 し て お り 、 ま たType6
お よ びType7
も 減 揺 タ ン ク の 作 動 原 理 の 範 中 に あ る こ と を1 . 3 . 2 で 述 べ た 。 こ れ ま で に 考 案 ・ 実 用 さ れ て き た 減 揺 タ ン ク と し て は 、 研 究 対 象 の u ‑ 字 管 タ ン ク を 始 め 種 々 の 形 式 が あ り 、 ま た 能 動 化 に 関 連 し て も 種 々 の 形 態 を 取 っ て い る 。 渡 辺 [ 6 1 ]が、 Chadwickの 作 動 原
理 の 分 類 法 に な ら っ て 、 減 揺 タ ン ク の 形 式 的 分類 を 試 み て い る が 、Chadwick
の 作 動 原 理 の 分 類 と 一 貫 性 が あ る 形 で の 説 明 に は か な ら ずし も な っ て い な い の で 、 改 め て 滅 揺 タ ン ク の 体 系 化 を 行 い u ‑ 字 管 タ ン ク の 位 置 付 け を 明 確 に す る と と も に 、 そ の 能 動 化 に 際 し て の 課 題 を 確 認 す る 。
滅 揺 タ ン ク を 体 系 化 す る に あ た り 、 次 の 三 つ の 基 本 要 素 を 考 え る 。 即ち、
( i ) 作 動 原 理 ( 1 .Type 1 と Type 4
、2 . Type 6 と Type7 )
( i i )水路部の構造(1.閉水路、 2 .
開水路(自由表面を持つ))( i i i )運動の制御(1.制御している、 2 制 御 し て い な い )
た だ し 、 減 揺 タ ン ク の 構 造 は 広 い 意 味 で u ‑ 字 管 タ ン ク と 同 様 に 左 右
の 舷 側 タ ン ク と 両 タ ン ク を 結 ぶ 水 路 か ら 構 成 さ れ て い る と 見 な す 。 即ち、Frahmの 海 水 ダ ク ト 型 の タ ン ク の よ う に 、 7 K
路 や 片 舷 の 舷 側タ ン ク を 外 海 で あ る と 見 な す 等 、 u ‑ 字 管 タ ン ク の 極 限 の 型 式 と 解 釈
する。こ れ ら の 基 木 要 素 に 基 づ い て 減 揺 タ ン ク の 形 式 を 分 類 す れ ば 、 ( i ) 、 ( i i )な ら び に ( i i i ) の そ れ ぞ れ に 1 と 2の 二 つ の 選 択 肢 が あ る の で 8通
り の 構 成 [ 1 1 1 ， 1 2 1 ， 1 1 2
ヲ1 2 2 ， 2 1 1 ， 2 1 2 ， 2 2 1 ， 2 2 2 J が 考 え ら れ る 。 8 通 り の
構 成 は 、実 用 化 に 難 易 の 差 異 が あ り 、ま た 得 ら れ る 減 揺 効 果 に や や
疑 問 が あ る も の も 含 ま れ る が 、 い ず れ も 装 置 自 体 を 作 製 す る こ と は
可 能 で あ る 。 現 在 ま で に 、 実 用 化 あ る い は 考 案 さ れ た 滅 揺 タ ン ク の
例 を 各 構 成 に 害 J I り 振 れ ば 次 の よ う に な る 。
構 成 実 用 化 ( あ る い は 考 案 ) の 形 態 の 例
1 1 1 C o n t r o l l e d t a n k [ 5 6 ] [ 6 0 ト Ho
此anen [ 4 1 ]
等1 2 1
1 1 2 :
Frahm
式( u ‑
字 管 型 )[ 5 1 ]
1 2 2 : Watt [ 6 9 ]
、Flume
式[ 9 5 ]
、 渡 辺[ 9 6
卜 池 田[ 4 2 ] 2 1 1
2 1 2
Frahm
式 ( 開 放 型 ・ ダ ク ト 付 き )[ 8 4 ] 2 2 1 : B e l l [ 5 6 ト A c t i v a t e dA n t i ‑ P i t c h i n g Tank [ 8 7 ] [ 8 8 ] 2 2 2 :
Fra h l T I
式 ( 開 放 型 )[ 4 ]
、A n t i ‑ P i t c h i n gTank [ 8 3 ]
ここに、
1 2 1
はFlume
式 の 水 路 に 井 堰 を 設 け そ の 関 口 面 積 を 制 御 す る 形 態 に 相 当 し 、 ま た 、2 1 1
はFrahm
式 ( 開 放 型 ・ ダ ク ト 付 き ) の 関 口 部 に イ ン ベ ラ 一 等 を 設 置 し 能 動 的 に 制 御 す る 形 態 に 相 当 す る が 、 い ず れ も 実 用 化 、 あ る い は 考 案 の 提 示 が な さ れ て い な い の で 記 号 " 一 " を 附 し て い る。滅 揺 タ ン ク の 形 態 の 僻 成 の 相 関 図 を F i g .
1.2に 示 し て い る。
減 揺 タ ン ク の 減 揺 効 果 は 各 形 態 に お い て 少 し 差 が あ る が 、 概 略 、 横 揺 に つ い て 、 制 御 し て い な い タ ン ク の 場 合 に5 0 ' " ' ‑ ' 6 0 %
、 制 御 し て いる タ ン ク に お い て
6 0 ' " ' ‑ ' 7 0 %
である。減 揺 タ ン ク
( u ‑
字 管 型 ) に つ い て 、 運 動 の 制 御 方 式 を 分 類 す る た め に 次 の 要 素 を 考 え る 。制 御 の 方 法 (A.能 動 的 制 御 、 P受 動 的 制 御 )
こ れ ま で に 実 用 化 あ る い は 考 案 さ れ た 例 を 割 り 振 る と 次 の よ う に なる。
A
: 著 者 ら[ 6 0 ]90%
Chadwick [ 4 0 ] 60%
、B e l l [ 5 6 ] 70%
、Webster [ 4 8 ] 70%
、 桑 野[ 5 8 ]70%
、 著 者 ら[ 5 2 ]80%
P : B e l l [ 5 6 ] 60%
、 寺 尾[ 5 7 ]60%
、Honkanen [ 4 1 ] 70%
各 実 例 の 後 に 付 記 さ れ て い る 数 字 は そ の 文 献 の 中 で 示 さ れ て い る 減 揺 率 を 示 す が 、 条 件 が か な ら ず し も 一 致 し て い な い た め 、 こ の 値 そ
の も の は 概 略 の 傾 向 を 示 す も の で あ る
。制 御 の 方 法 が 能 動 的 制 御 で
あ れ 受 動 的 制 御 で あ れ 種 々 の 制 御 理 論 を 採 用 し 開 発 ・ 改 良 を 行 う 際 の 目 標 は 、 減 揺 率 を 上 げ る こ と で あ る の は 当 然 で あ る が 、 そ れ 以 上 に 減 揺 効 果 が 良 好 で あ る 波 周 波 数 の 範 囲 を で き る だ け 広 げ る こ と に あ る よ う で あ る 。 そ の た め の 制 御 方 法 と し て は 、 能 動 的 制 御 が 受 動 的 制 御 に 比 べ 、 よ り 高 い 性 能 を 有 し て い る こ と は 容 易 に 推 測 で き る 。1 . 4 研 究 の 目 的 と 意 義
船 の 動 揺 軽 減 対 策 法 と し て 対 策
( 1 )
f'V( I I 1 )
の 方 法 が あ る こ と を 1 .2
に お い て 述 べ 、 各 対 策 の 研 究 の 状 況 を 示 す と 共 に 、 問 題 点 と し て 以 下 の よ う な も の を 挙 げ た 。 船 体 と 独 立 さ せ た 客 室 を 設 け そ の 客 室 の 動 揺 を 制 止 さ せ る 対 策 ( 1 ) は 、 海 上 の 居 住 区 の 動 揺 制 止 能 力 を 有 す る も の の 船 体 そ の も の の 動 揺 抑 止 と は 異 な り 、 船 の 動 揺 に 関 連 し た 安 全 性 を 確 保 す る 立 場 か ら の 解 決 策 と は な っ て い な い 。 ま た 、 一般に、
積 荷 、 運 航 形 態 等 の 要 求 か ら 船 型 が 排 水 量 型 に 特 定 さ れ る 場 合 が 多 い た め 、 動 揺 の 少 な い 船 型 の 開 発 を 目 指 す 対 策
( I I )
を 施 す こ と が で き る 船 に は 用 途 の 面 で 制 限 が あ る 。こ れ ら の 問 題 点 を 踏 ま え 、 船 の 動 揺 に 関 し た 安 全 性 を 確 保 し 、 一 般 的 な 排 水量型 の 船 型 へ の 適 用 を 目 指 す 立 場 よ り 、 本 研 究 で は 船 体
の 動 揺 軽 減 対 策 と し て 対 策
( I I I )
の 動 揺 軽 減 装 置 を 採 用 す る 。動 揺 軽 減 装 置 に 用 い る 質 量 の 相 を 考 え た 場 合 、 質 量 の 運 動 ( 移 動 ) を 工 学 的 に 実 現 す る 技 術 を 寸 法 効 果 の 観 点 か ら 検 証 す れ ば 、 質 量 と
し て 固 体 よ り も 流 体 を 利 用 す る 方 が 小 型 船 の 場 合 を 除 け ば 、 よ り 得 策 で あ る こ と は 容 易 に 推 測 で き る 。 ま た 、 船 体 の 外 仮 I j に 運 動 の 作 動 場 所 を 求 め る フ ィ ン ス タ ビ ラ イ ザ ー は 低 速、停 船 時 に 滅 揺 効 果 の 大 幅 な 減 少 を 生 じ る 欠 点 を 持 つ 。 従 っ て 、 本 研 究 で は 、 質量 と し て 流 体 を 利 用 し 、 船 内 に 運 動 の 作 動 場 所 を 占 め る 装 置 を 研 究 対 象 と し て 定 め 、 特 に 広 範 囲 の 船 速 と 波 出 会 周 期 に 対 し て 有 効 と な る 性 能 改 善 と 機 能 開 発 の 可 能 性 を 秘 め た 能 動 型 の 滅 揺 タ ン ク
( u ‑
字 管 型 ) を 選 定 する。能 動 型 減 揺 タ ン ク シ ス テ ム の 設 計 に 対 す る 課 題 と し て は 、 高 精 度 な タ ン ク 特 性 解 析 方 法 の 開 発 と 、 高 性 能 制 御 方 式 の 適 用 の
2つ が 挙
げ ら れ る o 1.2
.
3で 述 べ た よ う に 、 現 在 、 タ ン ク 内 部 流 体 運 動 の 解 析 に はu ‑
字 管 理 論 が 多 く 用 い ら れ て い る が 、 タ ン ク 形 状 、 内 部 流 体 の 粘 性 の 影 響 等 を 精 度 良 く 検 討 す る に は 不 十 分 で あ る 。 ま た 、 能 動 化 に つ い て も 、 タ ン ク 特 性 の 十 分 な 検 討 の 上 で 制 御 理 論 に 基 づ い て 制 御 系 を 設 計 し た 例 は 少 な く、
タ ン ク シ ス テ ム の 最 適 化 に は 検 討 の 余 地 が 大 き い 。そ こ で
、本 研 究 で は タ ン ク 特 性 の 高 精 度 な 解 析 法 の 開 発 と そ れ に
基 づ く 高 性 能 制 御 シ ス テ ム の 設 計 法 を 新 た に 提 示 す る こ と を 目 的 と し、本 研 究 で 選 定 し た u ‑
字 管 タ ン ク を 能 動 化 す る に 際 し て の 目 標 と し て 次 の2
点 を 掲 げ る。
1 . 滅 揺 率 を 上 げ て 、 で き る か ぎ り フ ィ ン ス タ ビ ラ イ ザ ー の 滅 揺 率のレベノレ
( 9 0 % )
に 近 づ け るI I .
滅 揺 効 果 が 良 好 で あ る 波 周 波 数 の 範 囲 を で き る だ け 広 げ る と と も に、船 速 、載 貨 状 態 等 が 変 化 し で も 滅 揺 効 果 を 維 持
す る具 体 的 な
、研 究 手 順 は 以 下 の よ う に な る 。 ま ず 、 数 値 解 析 法 の 中
で 有 力 な 手 法 で あ る 差 分 法[ 5 5 ]
を 用 い て 動 揺 軽 減 タ ン ク の 特 性 解 析 法 を 新 た に 構 築 し 、 そ の 成 果 に 基 づ い て 動 揺 軽 減 タ ン ク シ ス テ ム の 設 計 法 を 提 案 す る 。 ま た、市 J I
御 方 式 と し て 適 応 制 御[ 3 9 ]
を 採 用 し、動
揺 軽 減 タ ン ク に よ っ て 発 生 す る 動 揺 抑 制 力 を 制 御 す る 新 た な 方 式 を 提 案 す る 。 さ ら に 、 コ ン テ ナ 船 を 適 用 船 型 と し て、動 揺 軽 減 タ ン ク
シ ス テ ム の 試 設 計 を 行 い そ の タ ン ク シ ス テ ム に つ い て 計 算 機 シ ミ ュレ
ー
シ ョ ン を 実 施 す る こ と に よ り シス テ ム の
性 能 評価
を 試 み、動 揺
軽 減 タ ン ク の 制 御 方 法 と、そ の 設 計 法 確 立 へ の 指 針 を 得 る 。 即ち、
能 動 型 滅 揺 タ ン ク 性 能 解 析 法 を 提 示 す る こ と と 動 揺 軽 減 タ ン ク 制 御
シ ス テ ム の 設 計 法 を 新 た に 提 案 す る こ と に よ り
、
「 船 の 動 揺 を 軽 減 す る 問 題J
へ の 一つ の 解 決 策 を 提 示 す る も の で あ る 。1 . 5 能 動 型 動 揺 軽 減 タ ン ク に よ る 船 体 横 揺 制 御 系 の 設 計 法 の 概 要 と 本 研 究 の 内 容
本 研 究 に お い て は 、 船 体 の 動 揺 軽 減 装 置 と し て 動 揺 軽 減 タ ン ク を 取 り 上 げ 、 タ ン ク の 性 能 解 析 と そ れ に 基 づ く 制 御 系 の 設 計 法 を 研 究 す る 。 即ち、能 ~J 型滅揺タンクシステムの性能解析法を提示すると
と も に 動 揺 軽 減 タ ン ク 設 計 法 を 新 た に 提 案 す る
。タ ン ク 性 能 の 数 値
解 析 法 と し て 差 分 法[ 5 5 ]
を 採 用 し、ア ノ レ ゴ リ ズ ム と し て 、 SOLA‑SURF
法
[ 9 7 )
とNIAC法[ 9 8 )
を 適 用 す る。 MAC
法 は 著 者 が ス ロ ツ シ ン グ 問 題 で 開 発 し た ス キ ー ム[ 9 9 ] [1 0 0 ]
を 修 正 し た も の を 採 用 し 、 ま たSOLA‑SURF
法 はH i r t
ら[ 9 7 )
の ス キ ー ム を 基 本 に 、 動 揺 軽 減 タ ン ク 内 の イ ン ベ ラ の 効 果 等 を 組 み 込 ん だ ア ノ レ ゴ リ ズ ム を 新 た に 作 成 し て 用 い る 。 制 御 方 式 と し て は 適 応 制 御[ 1 0 1 ] ( 1 0 2 ] [ 3 9 ]
を 採 用 し 、 動 揺 制 御 系 の 設 計 法 を 構 築 す る。構 築 し た 設 計 法 の 有 効 性 を 確 認 す る た め に 、 数 値 シ リ ー
ズ 計 算 を 実 施 し 、 タ ン ク 形 状
、粘 性 影 響 等 が 動 揺 軽 減 に ど の よ う な
影 響 を 与 え る か を 調 べ る と と も に、タ ン ク シ ス テ ム の 制 御 性 能 の 評
価 法 を 確 立 し、
詳 細 に 検 討 し た 結 果 を 報 告 す る 。本 研 究 は
5章 か ら 構 成 さ れ て い る 。
第
1
章 は 緒 論 で あ り、本 研 究 の 背 景 と 目 的 に つ い て 述 べ 、各 章 の
内 容 を 概 説 す る 。第
2
章 に お い て は、
動 揺 軽 減 タ ン ク の 設 計 法 の 構 築 に 必 要 な タ ン ク 特 性 の 解 析 法 を 提 示 す る 。 ま ず 、 船 体 運 動 と 動 揺 軽 減 タ ン ク 内 の 液 体 流 動 の 各 力 学 系 の モ デ ノ レ 化 を 説 明 し、
座 標 系 と 諸 量 の 正 負 の 符 号 定 義 を 説 明 す る と と も に 連 成 運 動 方 程 式 を 誘 導 す る 。 次 に 、 力 学 系 の 挙 動 を 明 確 に 抱 握 す る た め に 、 従 来 の 理 論[ 4 7 ]
を 概 説 し 連 成 運 動 の 特 性 を 明 ら か に し 、 従 来 の 理 論 の 問 題 点 を 考 察 す る 。 さ ら に 、差 分 法 に 基 づ く 動 揺 軽 減 タ ン ク 内 液 体 流 動 解 析 法 を 提 示 す る 。 そ の 解 析 法 は
SOLA‑SURF
ス キ ー ム に 基 づ い て 構 築 さ れ る 。MAC
法 に 基 づ く ス キ ー ム も 作 成 し そ れ ぞ れ の ス キ ー ム に よ る 結 果 の 精 度 の 比 較 検 討 を 実 施 す る 。 タ ン ク 特 性 は 液 体 流 動 の 同 調 周 期 と 減 衰 特 性 に よ っ て 決 ま る た め 、 数 値 解 析 法 を 応 用 し て 、 ス ロ ツ シ ン グ 固 有 周 期 推 算 法 の 定 式化 を 計 る と と も に 、 ス ロ ツ シ ン グ 減 衰 係 数 の 推 定 技 術 を 確 立する。第
3章 で は
、動 揺 軽 減 タ ン ク の 能 動 化 の 一 方 法 を 提 示 す る 。 能 動 化 に あ た り 、 制 御 系 の 構 成 法 お よ び 設 計 法 を 調 査 し 、 そ の 結 果 を 概 説 す る 。 従 来 の 制 御 系 の 構 成 法 の ー っ と し て 、 桑 野 の 理 論[ 5 8 ]
を 紹 介 す る と と も に 、 動 揺 軽 減 タ ン ク シ ス テ ム の 能 動 化 と 最 適 化 の 一 つ の 指 針 を 示 す 。 ま た 、 根 軌 跡 法 と ボ ー ド 線 図 を 用 い て そ の 評 価 を 行 う 。 さ ら に 、 適 応 制 御 理 論 を 応 用 し た 制 御 系 に つ い て 考 察 す る 。 こ れ ら の 考 察 を 基 にPID
制 御 方 式 と 適 応 制 御 理 論 を 適 用 し た 制 御 系 の 数 値 シ ミ ュ レ ー シ ョ ン 計 算 を 実 行 し 、 両 制 御 方 式 の 評 価 を 実 施 す る 。 第4
章 で は 、第2
章 で 説 明 し た 動 揺 軽 減 タ ン ク の 特 性 解 析 法 お よ び 第3章 で 説 明 し た 適 応 制 御 理 論 に 基 づ く 動 揺 軽 減 タ ン ク シ ス テ ム
の 制 御 系 の 設 計 法 を 適 用 し て 、 実 船 搭 載 型 の 能 動 型 横 揺 軽 減 タ ン ク を 試 設 計 す る 。 計 算 適 用 船 型 は 船 長1751TI
の 一 軸 コ ン テ ナ 船 で あ る 。 設 計 に あ た っ て の 指 針 を 明 確 に 示 し 問 題 点 を 考 察 す る と と も に 、 数 値 シ ミ ュ レ ー シ ュ ン 計 算 を 実 施 し て 、 能 動 型 横揺 軽 減 タ ン ク が 規 則 波中 船 体 運 動 に 及 ぼ す 影 響 を 詳 細 に 調 査 す る 。
第
