11 000 DWT液貨船耦合運(yùn)動(dòng)響應(yīng)研究

楊 陽，趙 俊，張吉萍

（1.浙江海洋大學(xué)船舶與機(jī)電工程學(xué)院，浙江舟山 316022；2.舟山市港航管理局船舶檢驗(yàn)處，浙江舟山 316022）

11 000 DWT液貨船耦合運(yùn)動(dòng)響應(yīng)研究

楊 陽1，趙 俊2，張吉萍1

（1.浙江海洋大學(xué)船舶與機(jī)電工程學(xué)院，浙江舟山 316022；2.舟山市港航管理局船舶檢驗(yàn)處，浙江舟山 316022）

大型液貨船液艙具有寬度較大、裝載深度高的特征，在波浪作用下產(chǎn)生的液艙晃蕩將影響船體的運(yùn)動(dòng)。本文基于勢(shì)流理論，應(yīng)用SESAM水動(dòng)力分析軟件在頻域范圍內(nèi)對(duì)11 000 DWT液貨船進(jìn)行了耦合運(yùn)動(dòng)響應(yīng)研究，對(duì)比分析了考慮液貨晃蕩與不考慮液貨晃蕩條件下的船舶運(yùn)動(dòng)響應(yīng)，對(duì)比分析了液貨裝載率對(duì)船舶運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的影響規(guī)律研究。

液貨船；晃蕩；裝載率；耦合運(yùn)動(dòng)

隨著海洋油氣資源開采和運(yùn)輸量增加，國際市場對(duì)于液貨船的需求也日益增長，同時(shí)液貨船具備運(yùn)輸效率高效且運(yùn)輸費(fèi)用較低的優(yōu)勢(shì)。液貨船具有寬度較大、裝載深度高的特性，在一定頻率范圍的波浪作用下，船體運(yùn)動(dòng)會(huì)導(dǎo)致劇烈的液艙晃蕩，而晃蕩載荷對(duì)船體結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)響應(yīng)都將造成重大影響。因此，液艙晃蕩對(duì)于液貨船水動(dòng)力性能影響不可忽略。針對(duì)計(jì)及液艙晃蕩的船舶運(yùn)動(dòng)響應(yīng)，目前國內(nèi)外學(xué)者主要通過數(shù)值模擬和模型試驗(yàn)進(jìn)行研究。模型試驗(yàn)方面，比較典型是MARIN水池[1]對(duì)FPSO進(jìn)行了液艙晃蕩與船舶六自由度的耦合運(yùn)動(dòng)試驗(yàn)。數(shù)值計(jì)算方面，主要基于線性勢(shì)流理論進(jìn)行研究。LEE[2]、KIM[3]和MOLIN[4]等的研究成果表明，在不出現(xiàn)強(qiáng)非線性現(xiàn)象時(shí)，采用線性勢(shì)流理論能夠準(zhǔn)確獲得液艙晃蕩與船舶耦合運(yùn)動(dòng)結(jié)果。

論文基于線性勢(shì)流理論，選用DNV水動(dòng)力軟件SESAM，計(jì)算分析了11 000 DWT液貨船在不同載液深度條件下液貨船考慮液艙晃蕩與忽略液艙晃蕩的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)對(duì)比研究，論文工作對(duì)于液貨船水動(dòng)力響應(yīng)規(guī)律研究及提高船舶穩(wěn)性具有重要意義。

1 船舶運(yùn)動(dòng)方程

根據(jù)剛體力學(xué)方程[5]，在不考慮液艙晃蕩情況下，船體在水中的六個(gè)自由度運(yùn)動(dòng)方程為

式中：Mij為廣義質(zhì)量矩陣；aij(ω)為附加質(zhì)量矩陣；C(ω)為阻尼系數(shù)矩陣，K為回復(fù)力剛度矩陣。

如果考慮液貨晃蕩影響，如假設(shè)船舶進(jìn)行微幅運(yùn)動(dòng)，液艙晃蕩與船體運(yùn)動(dòng)可以通過線性勢(shì)流理論進(jìn)行耦合計(jì)算。為了考慮粘性作用的影響，采用添加線性阻尼的方法彌補(bǔ)粘度造成的誤差[7]。

式中：γ為系統(tǒng)阻尼。則船舶運(yùn)動(dòng)和液艙晃蕩耦合運(yùn)動(dòng)方程如式（3）所示

液艙內(nèi)不考慮慣性力，液艙對(duì)船體的作用力可表示為式（4）。

將方程（4）代回方程（3）中，得到基于線性勢(shì)流理論的船舶運(yùn)動(dòng)和液艙晃蕩的耦合運(yùn)動(dòng)方程式為，

2 11 000 DWT液貨船數(shù)值模擬

2.1 11 000 DWT液貨船

11 000 DWT油船，船長126 m，型寬20 m，型深10.2 m，空船質(zhì)量4 000 t。全船有10個(gè)貨艙，艙室長度為16.8 m，寬度為8.9 m，高度為10.2 m。根據(jù)船型設(shè)計(jì)，建立全船有限元結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。模型忽略了部分次要構(gòu)件和船上設(shè)備重量，為保證船舶運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的準(zhǔn)確性，對(duì)船體密度進(jìn)行調(diào)節(jié)，并在部分區(qū)域設(shè)置質(zhì)量點(diǎn)。

圖1 11 000 DWT液貨船模型Fig.1 11 000 DWT tanker model

2.2 有無晃蕩載荷情況六自由度的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)對(duì)比

下面對(duì)11 000 DWT液貨船在裝載40%情況下在六自由度方向上的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行數(shù)值模擬，結(jié)果如圖2所示。

對(duì)比有無晃蕩的船體運(yùn)動(dòng)響應(yīng)結(jié)果，液艙晃蕩載荷對(duì)船舶的垂蕩，縱搖和橫蕩運(yùn)動(dòng)并沒有多大影響，對(duì)于船舶的縱蕩響應(yīng)影響較小，而對(duì)船舶的橫搖運(yùn)動(dòng)響應(yīng)和首搖運(yùn)動(dòng)響應(yīng)影響較大。液艙晃蕩不僅改變了船體首搖運(yùn)動(dòng)響應(yīng)幅值還改變了運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)。液艙晃蕩雖然沒有改變橫搖運(yùn)動(dòng)響應(yīng)趨勢(shì)但是引起了響應(yīng)幅值的較大變化，尤其在0.6～0.9這一頻域范圍內(nèi)，兩者響應(yīng)幅值相差最大。船舶運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的區(qū)別應(yīng)該是來自液艙和船體共振產(chǎn)生劇烈晃蕩所造成的影響?？梢?，液艙晃蕩對(duì)船體運(yùn)動(dòng)響應(yīng)研究不容忽視。以下將進(jìn)一步對(duì)不同裝載率下的橫搖運(yùn)動(dòng)和首搖運(yùn)動(dòng)響應(yīng)結(jié)果進(jìn)行分析。

2.3 不同裝載率下有無晃蕩載荷橫搖運(yùn)動(dòng)響應(yīng)對(duì)比

下面對(duì)不同裝載條件下11 000 DWT液貨船是否考慮晃蕩影響的橫搖運(yùn)動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行數(shù)值模擬，結(jié)果如圖3所示。

圖2 浪向角90°下船體六自由度運(yùn)動(dòng)響應(yīng)（裝載率40%）Fig.2 The RAOs of ship in the beam sea(filling with 40%)

圖3 不同裝載率下橫搖運(yùn)動(dòng)響應(yīng)對(duì)比Fig.3 The motion response of roll in different filling

對(duì)比不同載液狀況下的有無晃蕩載荷的橫搖運(yùn)動(dòng)響應(yīng)，液艙晃蕩對(duì)船舶運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的影響也不一致。由圖中看出，隨著裝載率增大，液艙晃蕩對(duì)11 000 DWT液貨船的船體運(yùn)動(dòng)影響逐漸減少。在裝載75%時(shí)，液艙晃蕩影響最小，與不考慮晃蕩的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)結(jié)果相近。

2.4 不同裝載率下有無晃蕩載荷首搖運(yùn)動(dòng)響應(yīng)對(duì)比

下面對(duì)不同裝載條件下11 000 DWT液貨船是否考慮晃蕩影響的首搖運(yùn)動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行數(shù)值模擬，結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同裝載率下首搖運(yùn)動(dòng)響應(yīng)對(duì)比Fig.4 The motion response of yaw in different filling

在低液裝載狀態(tài)下，液艙晃蕩對(duì)船體的首搖運(yùn)動(dòng)影響并沒有規(guī)律可循。在高裝載率情況下，是否考慮液艙晃蕩的船舶首搖運(yùn)動(dòng)響應(yīng)逐漸相似。并且，隨著裝載率增大，在頻率在0.4 rad/s之后其響應(yīng)幅值的差值也逐漸減少。

2.5 11 000 DWT液貨船運(yùn)動(dòng)響應(yīng)匯總

上述分析表明，液艙晃蕩對(duì)液貨船的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)有著一定的影響，因此，下面對(duì)不同裝載條件下11 000 DWT液貨船運(yùn)動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行數(shù)值模擬，結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同載液深度下的船體六自由度運(yùn)動(dòng)響應(yīng)Fig.5 The six-RAOs of tanker in different filling

對(duì)于液貨船的垂蕩、橫蕩運(yùn)動(dòng)，不同頻率下船舶的垂蕩和橫蕩的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)數(shù)值相近，可見不同載液率對(duì)于船舶的垂蕩和橫蕩運(yùn)動(dòng)影響較少。對(duì)于液貨船的首搖、縱搖和縱蕩運(yùn)動(dòng)，隨著載液深度增加，運(yùn)動(dòng)響應(yīng)明顯加劇且沒有一定的規(guī)律，波浪對(duì)船舶的首搖運(yùn)動(dòng)最大也不超過0.12deg/m，因此，可以忽略液貨晃蕩對(duì)船舶首搖運(yùn)動(dòng)響應(yīng)影響。對(duì)于液貨船的橫搖運(yùn)動(dòng)，隨著載液率減少，船舶橫搖共振頻率朝著高頻方向偏移，另外，隨著載液率增加，船舶的運(yùn)動(dòng)影響也逐漸增大。

3 總結(jié)

本文基于線性勢(shì)流理論，選用DNV三維線性水動(dòng)力分析軟件SESAM，計(jì)算分析了在不同載液深度下對(duì)考慮液艙晃蕩與忽略液艙晃蕩兩種情況的六自由度的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)，從而獲得以下結(jié)論：液艙晃蕩對(duì)于船體的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)不容忽視，液貨與船體結(jié)構(gòu)將于某一頻率處產(chǎn)生共振；載液深度對(duì)液貨船橫搖運(yùn)動(dòng)影響最大，對(duì)垂蕩和橫蕩運(yùn)動(dòng)影響較小，而首搖，縱搖和縱蕩運(yùn)動(dòng)影響可以忽略；隨著載液深度的增加，液艙晃蕩載荷對(duì)于船舶的橫搖運(yùn)動(dòng)影響逐漸減少，共振頻率也朝向低頻移動(dòng)。

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Research on Coupling Motion Response of 11 000 DWT Liquid Cargo Tanker

YANG Yang1,ZHAO Jun2,ZHANG Ji-ping1
(1.School of Naval Architecture and Mechanical-Electrical Engineering of Zhejiang Ocean University,Zhoushan 316022;2.Ship Inspection Division,Zhoushan Administration Bureau of Port and Fariway,Zhoushan 316022,China)

The motion responses of liquid cargo tanker are effected obviously by the liquid sloshing in the wave because the characteristic of wider molded breadth and deeper cargo.The coupling motion of the 11 000 DWT tanker are calculated by hydrodynamic analysis software Sesam(DNV)in frequent domain based on the thre-dimensional linearized potential flow theory.The motion responses results considering with liquid sloshing and without liquid sloshing are compared,and the influence rule from the different liquid loading rates on ship motion responses is analyzed.Research in the paper is of important guiding significance to liquid cargo ship hydrodynamic performance analysis.

liquid cargo tanker;sloshing;loading rate;coupling motion

U664

A

1008-830X(2016)04-0332-05

2016-05-30

浙江省自然科學(xué)基金（LY14E090002）；國家自然科學(xué)基金（51409232）

楊陽（1991-），浙江臺(tái)州人，碩士研究生，研究方向：船舶與海洋結(jié)構(gòu)物設(shè)計(jì)制造.