全冷式超大型液化氣船波浪載荷預(yù)報(bào)與分析

周清華, 梁小軍, 李小靈, 陳 兵

(江南造船(集團(tuán))有限責(zé)任公司， 上海 201913)

全冷式超大型液化氣船波浪載荷預(yù)報(bào)與分析

周清華, 梁小軍, 李小靈, 陳 兵

(江南造船(集團(tuán))有限責(zé)任公司， 上海 201913)

全冷式超大型液化氣船(Very Large Gas Carrier,VLGC)的運(yùn)動(dòng)及波浪載荷預(yù)報(bào)對(duì)船體、圍護(hù)系統(tǒng)和液艙支座的結(jié)構(gòu)安全性評(píng)估至關(guān)重要。對(duì)此,以83 000 m3VLGC為例，采用WALCS程序系統(tǒng)作為主要分析工具，應(yīng)用三維線性勢(shì)流理論，在頻域內(nèi)預(yù)報(bào)該VLGC船體運(yùn)動(dòng)與波浪載荷的傳遞函數(shù)和長(zhǎng)期預(yù)報(bào)極值。以第二液貨艙重心處的加速度和舯剖面的垂向波浪彎矩為研究對(duì)象，比較分析WALCS預(yù)報(bào)值與IGC設(shè)計(jì)值、UR-S11規(guī)范值及SESAM預(yù)報(bào)值的差異。分析結(jié)果可為VLGC的結(jié)構(gòu)安全性評(píng)估提供載荷輸入和參考。

全冷式超大型液化氣船(VLGC)；加速度；垂向波浪彎矩；傳遞函數(shù)；長(zhǎng)期預(yù)報(bào)

Abstract: Ship motion and wave load prediction of Very Large Gas Carrier(VLGC) is essential for the safety assessment of hull structure, containment system and tank support. An 83 000 m3VLGC is taken as the object of study for illustration. The hydrodynamic analysis software WALCS based on three dimensional linear potential flow theory is used as the primary analytical tool to predict the hydrodynamic characteristics of ship motion and wave load in frequency domain. The gravity acceleration of second cargo tank and the vertical wave bending moment of midship section are calculated. The WALCS forecast values are compared with those from IGC rule,UR-S11 standard and SESAM. The calculated results can be a reference of the excitation input for the structural safety assessment of VLGC.

Keywords: VLGC； acceleration； vertical wave bending moment； transfer function； long term prediction

83 000 m3全冷式超大型液化氣船(Very Large Gas Carrier,VLGC)[1]是江南造船(集團(tuán))有限責(zé)任公司研制的高技術(shù)、高附加值船舶，打破了國(guó)外船廠的技術(shù)壟斷。相比常規(guī)船型，VLGC對(duì)船體波浪載荷預(yù)報(bào)的要求更高，主要原因有：

(1) 船長(zhǎng)超過(guò)200 m，質(zhì)量分布特殊，規(guī)范計(jì)算法不足以反映其在惡劣海況下的載荷響應(yīng)特征；

(2) 液貨加速度產(chǎn)生內(nèi)部液體壓力，應(yīng)考慮船體運(yùn)動(dòng)的長(zhǎng)期預(yù)報(bào);

(3) 圍護(hù)系統(tǒng)的安全性要求高，該船設(shè)置有4個(gè)A型獨(dú)立棱形液艙，并通過(guò)特殊的支座支撐在貨艙內(nèi)，承受液艙和貨物的質(zhì)量及各類(lèi)靜、動(dòng)載荷，由于支座只承受壓力而不傳遞拉力，因此在進(jìn)行VLGC結(jié)構(gòu)分析時(shí)需進(jìn)行接觸分析或大量迭代運(yùn)算。[2]

由此可見(jiàn)，為保證船體、圍護(hù)系統(tǒng)和液艙支座的結(jié)構(gòu)安全性，準(zhǔn)確計(jì)算出船體運(yùn)動(dòng)加速度和波浪載荷尤為重要。目前船舶在波浪中的運(yùn)動(dòng)和載荷響應(yīng)預(yù)報(bào)方法[3]已日臻成熟，主要有切片理論、三維理論、非線性時(shí)域理論及考慮彈振的水彈性理論等。這些方法中，基于勢(shì)流理論的三維頻域線性計(jì)算方法[4]在工程中應(yīng)用較為廣泛。船級(jí)社和相關(guān)科研院校已開(kāi)發(fā)出相應(yīng)的軟件，如DNV/SESAM,BV/HYDROSTAR和MIT/WAMIT等。這里選取WALCS程序系統(tǒng)對(duì)83 000 m3VLGC的運(yùn)動(dòng)及波浪載荷進(jìn)行預(yù)報(bào)與分析。該船的技術(shù)參數(shù)為：總長(zhǎng)226 m；垂線間長(zhǎng)215 m；型寬36.6 m；型深22.2 m；設(shè)計(jì)吃水11.4 m；載重量54 000 t；設(shè)計(jì)航速16.8 kn。為驗(yàn)證WALCS數(shù)值計(jì)算的有效性，以加速度和垂向波浪彎矩為研究對(duì)象，比較分析WALCS預(yù)報(bào)值與IGC設(shè)計(jì)值、UR-S11規(guī)范值及SESAM預(yù)報(bào)值的差異。

1 WALCS波浪載荷計(jì)算原理

WALCS 軟件可用來(lái)計(jì)算低速航行于有限和無(wú)限水深規(guī)則波中的船舶或海洋平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)、脈動(dòng)壓力及剖面載荷的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)。

基于線性勢(shì)流理論，流場(chǎng)總速度勢(shì)φ(x,y,z,t)[5]可表示為

(1)

式(1)中:φT(x,y,z)=φI(x,y,z)+φD(x,y,z)+φR(x,y,z)；φS為定常興波勢(shì)；U為航速；ω為遭遇頻率；φT為非定常速度勢(shì)；φI為入射勢(shì),已知；φD和φR分別為繞射勢(shì)及輻射勢(shì),均為非定常擾動(dòng)勢(shì)。

頻域內(nèi)低航速船舶運(yùn)動(dòng)非定常擾動(dòng)勢(shì)需滿足以下定解條件。

1) 域內(nèi)條件[L]

(2)

2) 線性自由面條件[F]

(3)

3) 物面條件[S]

(4)

4) 底部條件[B]

(5)

5) 遠(yuǎn)方輻射條件[R]：相應(yīng)的遠(yuǎn)方輻射條件。

式(2)～式(5)中：φj(j=1,2,…,6)為單位復(fù)速度的j模式運(yùn)動(dòng)輻射勢(shì)；φ7為單位波幅的繞射勢(shì)；v=ω2/g；n為船舶表面指向內(nèi)部的單位法線向量。

根據(jù)剛體動(dòng)力學(xué)原理導(dǎo)出規(guī)則波中船舶運(yùn)動(dòng)微分方程為

[K]{η(t)}={f(t)}

(6)

式(6)中:[M]為船舶質(zhì)量矩陣；[Ma]為附加質(zhì)量矩陣；[C]為阻尼矩陣；[K]為靜恢復(fù)力矩陣；{η(t)}為六自由度剛體運(yùn)動(dòng)；{f(t)}為波浪干擾力。

采用高斯消去法對(duì)式(6)進(jìn)行求解，得到船舶運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的穩(wěn)態(tài)解。利用線性化的伯努利方程，并計(jì)入靜水壓力變化部分的貢獻(xiàn)，得到作用于船體濕表面上總的脈動(dòng)壓力為

P(x,y,z,t)=Re{P(x,y,z)eiωt}

(7)

求解船體運(yùn)動(dòng)響應(yīng)和脈動(dòng)壓力之后，應(yīng)用達(dá)朗貝爾原理計(jì)算船體剖面內(nèi)的波浪誘導(dǎo)力和力矩。

2 實(shí)船計(jì)算

2.1計(jì)算模型

WALCS采用基于自由面格林函數(shù)的三維頻域方法,通過(guò)在船體濕表面分布奇點(diǎn)來(lái)求解流場(chǎng)速度勢(shì)，要求創(chuàng)建水動(dòng)力面元模型。模型網(wǎng)格的劃分以四邊形單元為主，其大小取為4倍的縱骨間距，網(wǎng)格總計(jì)1 968個(gè)。定義船殼網(wǎng)格為濕表面，指定波浪水動(dòng)壓力的矢量法向?yàn)橛闪黧w指向船殼表面。圖1為VLGC水動(dòng)力面元模型。

圖1 VLGC水動(dòng)力面元模型

計(jì)算波浪載荷時(shí)需提供準(zhǔn)確的質(zhì)量模型。為計(jì)算剖面載荷，采用WALCS提供的分段質(zhì)量模型方式創(chuàng)建整船質(zhì)量模型。

2.2傳遞函數(shù)

為充分觀察不同浪向角的波浪對(duì)船體運(yùn)動(dòng)和波浪載荷的影響規(guī)律，共選取13個(gè)浪向角(0°～180°，間隔15°，各浪向的概率分布認(rèn)為是均勻的)、29個(gè)波浪頻率(0.10～1.50 rad/s，步長(zhǎng)取0.05),水深為無(wú)限水深;采用臨界阻尼法對(duì)橫搖阻尼進(jìn)行修正，臨界阻尼系數(shù)取0.05；沿船長(zhǎng)從艉垂線至艏垂線選取21個(gè)剖面作為計(jì)算剖面。選取液艙裝載率為100%時(shí)的典型工況作為計(jì)算工況，不存在液艙晃蕩問(wèn)題。

船體運(yùn)動(dòng)和主要載荷控制參數(shù)的傳遞函數(shù)(RAO)見(jiàn)圖2～圖4。

圖2中:不同浪向下的垂蕩和橫搖幅頻響應(yīng)曲線吻合程度均較低，表明浪向?qū)Υw運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的影響較大；橫浪時(shí)，垂蕩和橫搖響應(yīng)達(dá)到最大。圖3中，垂向波浪彎矩幅頻響應(yīng)曲線為單峰曲線，峰值出現(xiàn)在舯剖面附近。圖4中，垂向波浪剪力幅頻響應(yīng)曲線為雙峰曲線，峰值出現(xiàn)在距艉垂線1/4船長(zhǎng)和3/4船長(zhǎng)的剖面附近。載荷峰值均出現(xiàn)在浪向角為0°，頻率為0.50～0.55 rad/s時(shí)，即船舶在迎浪航行、遭遇波長(zhǎng)/船長(zhǎng)為0.95～1.15的波浪時(shí)，垂向波浪彎矩和垂向波浪剪力響應(yīng)最大?？梢?jiàn)，WALCS預(yù)報(bào)值與實(shí)際規(guī)律一致。

a) 垂蕩

b) 橫搖

a) 不同浪向(遭遇頻率為0.5 rad/s)

b) 不同頻率(迎浪)

a) 不同浪向

b) 不同頻率

2.3長(zhǎng)期預(yù)報(bào)

長(zhǎng)期預(yù)報(bào)中，選取北大西洋波浪散布圖作為海浪統(tǒng)計(jì)資料，采用ISSC雙參數(shù)譜模擬散布圖中的海況，運(yùn)用威布爾分布擬合長(zhǎng)期分布，分別考慮長(zhǎng)峰波和短峰波2種波浪形式;短峰波的擴(kuò)散函數(shù)采用f(x)=2cos2θ/π，其中θ為波系相對(duì)于主浪向的夾角。

對(duì)第二液艙重心處的垂向加速度和舯剖面的垂向波浪彎矩進(jìn)行長(zhǎng)期預(yù)報(bào)，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖5。

圖5中，在北大西洋海況下，垂向加速度和垂向波浪彎矩的長(zhǎng)期預(yù)報(bào)極值與超越概率的對(duì)數(shù)的負(fù)值呈正比關(guān)系。

3 結(jié)果比較與分析

3.1加速度

a) 垂向加速度(組合浪向)

b) 垂向波浪彎矩(組合浪向)

《國(guó)際散裝運(yùn)輸液化氣體船舶構(gòu)造和設(shè)備規(guī)則》(IGC規(guī)則)給出加速度分量的指導(dǎo)公式是船舶在北大西洋中以概率水平為10-8運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的加速度，適用于船長(zhǎng)>50 m的船舶。[6]指導(dǎo)公式為

(8)

(9)

(10)

表1 加速度的IGC設(shè)計(jì)值和WALCS預(yù)報(bào)值 g

由表1可知：對(duì)比3個(gè)方向的加速度計(jì)算結(jié)果，縱向最小，垂向其次，橫向最大;WALCS的縱向加速度預(yù)報(bào)值遠(yuǎn)小于IGC設(shè)計(jì)值，最大偏差為50.0%；橫向加速度的IGC設(shè)計(jì)值位于WALCS在10-7～10-8概率水平下的預(yù)報(bào)值區(qū)間內(nèi)；WALCS在 10-8概率水平下的垂向加速度預(yù)報(bào)值略低于IGC設(shè)計(jì)值，偏差為5.2%。經(jīng)分析，IGC指導(dǎo)公式中的加速度與航速呈正比，選取設(shè)計(jì)航速計(jì)算，而WALCS選取零航速計(jì)算，兩者的差異對(duì)縱向加速度計(jì)算的影響較大?；诰€性頻域方法的WALCS在高航速下的縱向加速度預(yù)報(bào)精度還有待通過(guò)波浪載荷模型試驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證，橫向加速度和垂向加速度的計(jì)算結(jié)果在可接受的范圍內(nèi)。

3.2垂向波浪彎矩

國(guó)際船級(jí)社協(xié)會(huì)(International Association of Classification Societies,IACS)于1991年提出UR-S11，即對(duì)常規(guī)船舶的總縱強(qiáng)度提出統(tǒng)一要求。[7]該要求規(guī)定舯部垂向波浪彎矩設(shè)計(jì)值按以下公式求出。

中垂Ms=0.11CL2B(Cb+0.7)

(11)

中拱Mh=0.19CL2BCb

(12)

式(11)和式(12)中:L,B和Cb分別為船長(zhǎng)、船寬及方形系數(shù);系數(shù)C由式(13)確定。

(13)

由式(13)可知，IACS設(shè)計(jì)值僅與L,B和Cb有關(guān)，未計(jì)入船體線型、質(zhì)量分布和航行條件等對(duì)船體載荷有重要影響的因素，相當(dāng)于大量船舶的統(tǒng)計(jì)平均值。[8]

表2為垂向波浪彎矩的規(guī)范計(jì)算值和直接預(yù)報(bào)值;圖6為WADAM計(jì)算的10-8概率水平下舯部垂向波浪彎矩的長(zhǎng)期預(yù)報(bào)極值曲線；圖7為WASIM計(jì)算的規(guī)則波激勵(lì)下舯部垂向合成彎矩時(shí)歷曲線。

表2 垂向波浪彎矩的規(guī)范計(jì)算值和長(zhǎng)期預(yù)報(bào)值 MN·m

圖6 10-8概率水平下舯部垂向波浪彎矩長(zhǎng)期預(yù)報(bào)極值曲線

圖7 規(guī)則波激勵(lì)下的舯部垂向合成彎矩時(shí)歷曲線

由表2可知：采用線性方法預(yù)報(bào)，3種計(jì)算程序的長(zhǎng)峰波預(yù)報(bào)值比較吻合，偏差不超過(guò)3%；與長(zhǎng)峰波相比，彎矩的短峰波預(yù)報(bào)值在10-6概率水平和10-8概率水平下均要小約11%，該結(jié)論與文獻(xiàn)[8]中的計(jì)算結(jié)果一致；UR-S11規(guī)范值均位于線性程序在零航速10-6～10-8概率水平下的長(zhǎng)峰波預(yù)報(bào)值區(qū)間內(nèi)，UR-S11規(guī)范計(jì)算的均值與10-8概率水平下的短峰波預(yù)報(bào)值更為接近；考慮自由液面、瞬時(shí)效應(yīng)和航速等非線性因素之后，中垂?fàn)顟B(tài)下的垂向波浪彎矩值大于中拱狀態(tài)下的垂向波浪彎矩值；WASIM非線性預(yù)報(bào)值最大，其均值與10-8概率水平下的長(zhǎng)峰波預(yù)報(bào)值較為接近。

4 結(jié)束語(yǔ)

1) 采用WALCS對(duì)VLGC的主要載荷控制參數(shù)進(jìn)行長(zhǎng)期預(yù)報(bào)，預(yù)報(bào)值與UR-S11規(guī)范值和SESAM預(yù)報(bào)值具有可比性，計(jì)算結(jié)果適用于VLGC結(jié)構(gòu)安全性評(píng)估。

2) IGC規(guī)則要求縱向限位支座應(yīng)承受液艙整體向前的沖擊力，其加速度為0.5g，遠(yuǎn)大于船體縱向加速度。因此，選取0.5g的縱向加速度作為結(jié)構(gòu)安全性評(píng)估的主要載荷，在實(shí)際工程應(yīng)用中是偏于安全的。

3) 實(shí)際海況多為具有明顯主方向的短峰波，長(zhǎng)峰波中的載荷預(yù)報(bào)值往往偏大，且其大小與考慮非線性因素后的預(yù)報(bào)值相當(dāng)。建議VLGC船體載荷用長(zhǎng)峰波計(jì)算，這樣處理是趨于保守的。

4) 考慮非線性因素后的VLGC中拱和中垂波浪彎矩并不相等，頻域線性計(jì)算方法無(wú)法考慮該特點(diǎn)。因此，有必要對(duì)其進(jìn)行修正或采取時(shí)域非線性計(jì)算方法。

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WaveLoadPredictionandAnalysisofVeryLargeGasCarrier

ZHOUQinghua,LIANGXiaojun,LIXiaoling,CHENBing

(Jiangnan Shipyard (Group) Co., Ltd., Shanghai 201913， China)

U661.1

A

2016-04-21

工業(yè)和信息化部高技術(shù)船舶科研項(xiàng)目(工信部聯(lián)裝[2012]534號(hào))

周清華(1984—)，男，湖北監(jiān)利人，工程師,碩士,從事船舶與海洋結(jié)構(gòu)物設(shè)計(jì)制造研究。E-mail:supershiper@163.com

1000-4653(2016)03-0068-05