江海聯(lián)運(yùn)船舶艏部砰擊性能研究

邵珠峰，張吉萍，謝永和

（浙江海洋大學(xué)船舶與機(jī)電工程學(xué)院，浙江舟山 316022）

江海聯(lián)運(yùn)船舶艏部砰擊性能研究

邵珠峰，張吉萍，謝永和

（浙江海洋大學(xué)船舶與機(jī)電工程學(xué)院，浙江舟山 316022）

考慮江海聯(lián)運(yùn)船舶大外飄、小型深的結(jié)構(gòu)特征，研究了江海聯(lián)運(yùn)船舶艏部結(jié)構(gòu)在砰擊載荷作用下的力學(xué)性能。闡述了船舶砰擊理論，將船舶艏部結(jié)構(gòu)遭遇的砰擊載荷分解成入水沖擊壓力、撞擊沖擊壓力以及甲板上浪載荷。針對(duì)江海聯(lián)運(yùn)的45 000 DWT散貨船進(jìn)行砰擊的數(shù)值模擬，計(jì)算載荷包括不同航速下的舷外靜水壓力、艏外飄砰擊壓力以及甲板上浪。結(jié)果顯示應(yīng)力和變形受砰擊載荷影響很大，很有必要對(duì)艏外飄結(jié)構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)的結(jié)構(gòu)加強(qiáng)以及疲勞強(qiáng)度評(píng)估。

江海聯(lián)運(yùn)船舶；艏部結(jié)構(gòu)；砰擊載荷；甲板上浪

船舶在惡劣海況中航行時(shí)，由于船波之間的劇烈相對(duì)運(yùn)動(dòng)，船體將頻繁遭遇波浪砰擊[1-2]，局部結(jié)構(gòu)可能會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重變形，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)產(chǎn)生極端應(yīng)力和疲勞損傷，嚴(yán)重時(shí)可能影響船舶在海上航行的安全性。船艏部位[3-4]是砰擊現(xiàn)象的多發(fā)區(qū)域，砰擊載荷作用時(shí)間短、幅值大，因而對(duì)結(jié)構(gòu)的破壞作用非常大。船舶艏部砰擊問(wèn)題包括艏底砰擊，艏外飄砰擊[5]以及甲板上浪[6]。船舶因?yàn)榭v搖和升沉運(yùn)動(dòng)使底部露出波面，在底部重新進(jìn)入波浪中時(shí)將發(fā)生底部砰擊。船舶的艏外飄與來(lái)波相撞擊時(shí)將發(fā)生艏外飄沖擊。與艏底砰擊相似，艏外飄砰擊會(huì)產(chǎn)生巨大的水動(dòng)力并引發(fā)高頻振動(dòng)，而且艏外飄沖擊作用時(shí)間更長(zhǎng)，巨大的水動(dòng)力砰擊載荷覆蓋整個(gè)艏部結(jié)構(gòu)。甲板上浪則是當(dāng)船舶穿行至入射波系的水面以下、水波破碎并沖到船舶甲板上形成甲板上浪，所產(chǎn)生的壓力可以破壞甲板及其上部結(jié)構(gòu)。

與常規(guī)的散貨船相比，因?yàn)榫哂写笸怙h、小型深的結(jié)構(gòu)特征，更有必要對(duì)江海聯(lián)運(yùn)船舶進(jìn)行砰擊載荷作用下的力學(xué)性能研究。論文針對(duì)45 000 DWT江海聯(lián)運(yùn)散貨船進(jìn)行了艏部結(jié)構(gòu)的抗砰擊性能研究，并基于數(shù)值模擬結(jié)果提出了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)建議。

1 江海通達(dá)船

45 000 DWT散貨船是一艘典型的江海聯(lián)運(yùn)船舶，主要運(yùn)載煤、谷物以及鐵礦石。船長(zhǎng)192.0 m，船寬32.26 m，型深15.4 m，設(shè)計(jì)吃水10.5 m，方形系數(shù)0.852 1，長(zhǎng)寬比為5.95，寬深比為2.09。船舶結(jié)構(gòu)依據(jù)《鋼質(zhì)海船入級(jí)建造規(guī)范》設(shè)計(jì)，共有五個(gè)貨艙，四個(gè)橫艙壁結(jié)構(gòu)。為了進(jìn)行抗砰擊力學(xué)性能研究，建立艏部結(jié)構(gòu)的有限元模型，并在艏部中縱剖面進(jìn)行剛性約束，結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。

圖1 船艏結(jié)構(gòu)有限元模型Fig.1 Finite Element Model of Bow Structure

2 砰擊載荷

1929年，VON-KARMAN[7]最早將二維楔形剛體水動(dòng)力沖擊問(wèn)題進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，認(rèn)為沖擊過(guò)程是在極短時(shí)間內(nèi)發(fā)生，忽略流場(chǎng)速度平方的二階小量，將自表面的邊界條件作線性化處理。WAGNER[8]發(fā)展了VON-KARMAN的理論，考慮沖擊體上自由表面處存在排擠水對(duì)浸濕半寬的影響，改善了壓力量值及其分布的求解結(jié)果。之后的理論分析和模型試驗(yàn)研究都證實(shí)：砰擊壓力峰值與船波相對(duì)速度的平方呈正比，其比例系數(shù)主要取決于結(jié)構(gòu)物觸水沖擊表面處的斜傾角，同時(shí)與結(jié)構(gòu)剛性、水的可壓縮性以及氣墊效應(yīng)等因素影響有關(guān)。

船體艏部結(jié)構(gòu)的砰擊載荷一般包括底部砰擊、外飄砰擊以及甲板上浪三部分。江海通達(dá)船舶的吃水較小，艏外飄結(jié)構(gòu)的砰擊問(wèn)題較底部砰擊更具研究意義，因此在江海通達(dá)船舶的艏部砰擊性能研究中只考慮外飄砰擊以及甲板上浪載荷的作用。外飄砰擊載荷則分解成入水沖擊壓力與撞擊沖擊壓力，其中入水沖擊壓力與沖擊表面與波浪在水面法向的相對(duì)速度分量相關(guān)，撞擊沖擊壓力與沖擊表面與水質(zhì)點(diǎn)在水面切向的相對(duì)速度分量相關(guān)。

2.1 入水沖擊壓力

STAVOVY和CHUANG[9]根據(jù)WAGNER楔形體沖擊理論、椎體沖擊理論以及NSRDC試驗(yàn)結(jié)果，給出了計(jì)算快速船底部砰擊壓力的方法?？紤]到水平速度對(duì)入水沖擊速度的影響，將該方法應(yīng)用于外張入水沖擊壓力的確定，其中入水沖擊速度根據(jù)船體速度和波面速度在水面的法相分量求得。作用于沖擊表面的最大入水沖擊壓力表示為

式中，V為入水沖擊速度，系數(shù)Kw由下面公式計(jì)算得到：

式中：ξ為波浪與船體表面的接觸角。2.2 撞擊沖擊壓力

當(dāng)船在惡劣海況中航行時(shí)，艏部波面與船的相對(duì)運(yùn)動(dòng)引起的水面隆起迭加而使波面變得陡峭，導(dǎo)致波質(zhì)點(diǎn)以很高的速度撞擊艏外張表面。水流沖擊直墻的研究表明，該壓力對(duì)應(yīng)由波質(zhì)點(diǎn)撞擊船體引起的沖擊壓力，正比于水流速度的平方，而水流速度對(duì)應(yīng)于沖擊表面與水質(zhì)點(diǎn)在波面切向的速度分量?？紤]到非線性墻的修正，水質(zhì)點(diǎn)撞擊沖擊壓力可表示為

式中：V為水面切向的相對(duì)速度，ξ為船舶接觸角。

水面切向的相對(duì)速度由下式計(jì)算得到：

式中：Vh、Vv分別為沖擊點(diǎn)處船體的水平速度和垂直速度；

Vhw、Vvw分別為水面處波質(zhì)點(diǎn)的水平速度和垂直速度；

α為沖擊點(diǎn)處的水線角，假設(shè)水線角不隨船舶縱搖而變化；

δ′為垂直法平面內(nèi)的有效波傾角，δ′=δ cos(90-α)，δ為原始波傾角。

2.3 甲板上浪

船舶甲板上浪的海水流動(dòng)是高度非線性物理現(xiàn)象，與之相關(guān)的水位、流量等物理現(xiàn)象很難精確估算。目前國(guó)際上比較認(rèn)可的甲板上浪模型試驗(yàn)是由BUCHNER在挪威的MARINTEK水池所做的針對(duì)FPSO的上浪試驗(yàn)[4]，分別研究了船體與波浪之間的非線性相對(duì)運(yùn)動(dòng)，海水涌上甲板過(guò)程的物理機(jī)制等。試驗(yàn)表明，上浪水沖擊上甲板時(shí)的流動(dòng)與潰壩模型非常相似，船艏形狀以及外飄角的大小對(duì)甲板上浪水的流動(dòng)有著較大的影響，隨著艏外飄角的增大，水流速度也隨之增大，但水層高度則隨著外飄角的增大而減小。在一定范圍內(nèi)，甲板上浪水層的高度H與船體艏柱的干舷超出量h0之間存在著線性的關(guān)系，水流沖上甲板時(shí)的速度則與干舷超出量的平方根成正比，即存在如下關(guān)系：

另外，上浪過(guò)程中，甲板上層建筑所受的沖擊載荷與上浪的水層高度以及水流上浪的速度存在著如下的關(guān)系式：

因此，上浪載荷與干舷超出量h0的平方成正比。

3 江海聯(lián)運(yùn)船舶砰擊研究

3.1 砰擊載荷

3.1.1 艏外飄砰擊荷載

計(jì)算參數(shù)取值：海水的密度取1 025 kg/m3，壓力比例系數(shù)Kr取4，船波接觸角ξ取34°。

3.1.2 甲板上浪載荷

計(jì)算參數(shù)取值：干舷超出量h0取15 m，系數(shù)aH取0.8。

3.1.3 計(jì)算工況

計(jì)算中，考慮舷外靜水壓力、艏外飄砰擊壓力和甲板上浪的影響，考慮航速對(duì)來(lái)流沖擊速度以及甲板上浪水柱的影響，同時(shí)也考慮不同波浪參數(shù)的影響，但不考慮船首結(jié)構(gòu)內(nèi)的雜物壓力。具體計(jì)算工況見(jiàn)表1。

3.2 砰擊數(shù)值模擬

艏部砰擊計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2，第8計(jì)算工況的應(yīng)力位移分布如圖2～5所示。

表1 計(jì)算工況Tab.1 Load cases

表2 各工況計(jì)算結(jié)果匯總Tab.2 Simulation results of all load cases

圖2 船艏結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布Fig.2 Stress of Bow Structure

圖3 船艏內(nèi)部結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布Fig.3 Stress of Inner Structure

圖4 船艏結(jié)構(gòu)變形分布Fig.4 Displacement of Bow Structure

圖5 內(nèi)部結(jié)構(gòu)變形分布Fig.5 Displacement of Inner Structure

通過(guò)對(duì)江海聯(lián)運(yùn)散貨船艏部砰擊計(jì)算研究，可以得出如下結(jié)論：

（1）艏外飄砰擊載荷和甲板上浪載荷對(duì)艏部受砰擊區(qū)域的結(jié)構(gòu)變形以及板架結(jié)構(gòu)應(yīng)力影響顯著，在砰擊載荷作用下，結(jié)構(gòu)應(yīng)力超出了材料塑性破壞的屈服極限；

（2）波浪參數(shù)對(duì)船體艏部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度具有重要影響，隨著航速及波高的增加，結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和變形顯著增加，尤其艏外飄區(qū)域的外板結(jié)構(gòu)以及板架結(jié)構(gòu)。

4 結(jié)論

針對(duì)江海聯(lián)運(yùn)散貨船的艏部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出如下建議：依據(jù)規(guī)范結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)之外，需要依據(jù)砰擊數(shù)值模擬進(jìn)行艏部結(jié)構(gòu)加強(qiáng)，同時(shí)也有必要針對(duì)砰擊作用的高應(yīng)力結(jié)構(gòu)區(qū)域進(jìn)行疲勞強(qiáng)度評(píng)估：考慮到江海通達(dá)船舶的外飄較大、型深較小的結(jié)構(gòu)特性，在進(jìn)行船舶性能設(shè)計(jì)應(yīng)該關(guān)注航速及作業(yè)海況對(duì)結(jié)構(gòu)的破壞影響；砰擊載荷作用體現(xiàn)了很強(qiáng)的局部現(xiàn)象，因此在規(guī)范考慮因砰擊載荷引起附加彎矩之外更需要將船舶艏部結(jié)構(gòu)的砰擊現(xiàn)象作為局部強(qiáng)度問(wèn)題進(jìn)行研究。

[1]PEDERSEN P T.Review and application of ship collision and grounding analysis procedures[J].Marine Structures,2010,23(3): 241-262.

[2]CHO S R,LEE H S.Experimental and analytical investigations on the response of stiffened plates subjected to lateral collisions [J].Marine Structures,2009,22(1):84-95.

[3]許國(guó)冬.流體與結(jié)構(gòu)砰擊的相似解與時(shí)域分析[D].哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué),2010.

[4]王 輝.船體結(jié)構(gòu)局部強(qiáng)度設(shè)計(jì)中的砰擊載荷確定方法[J].中國(guó)造船,2010,51(2):68-77.

[5]耿彥超,虞 昊,胡嘉駿,等.江海直達(dá)船波激與砰擊載荷的模型試驗(yàn)研究[J].船舶力學(xué),2014,18(6):635-643.

[6]王瑞鋒.船舶甲板上浪機(jī)理及其試驗(yàn)研究[D].哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué),2011.

[7]VON KARMAN T.The Impact on Seaplane Float during Landing[R].US:National Advisory Committee for Aeronautics,1929.

[8]WAGNER H.Landing of Sea Planes[R].US:National Advisory Committee for Aeronautics,1931.

[9]STAVOVY A B,CHUANG S L.Analytical Determination of Slamming Pressure for High-speed Vehicles in Waves[J].Journal of Ship Research,1976,20(4):190-198.

Slamming-Resistant Performance Research on Bow Structure for River-sea Ship

SHAO Zhu-feng,ZHANG Ji-ping,XIE Yong-he
(School of Naval Architecture and Mechanical-electrical Engineering of Zhejiang Ocean University,Zhoushan 316022,China)

Bow structure strength of river-sea ship is researched under slamming load thinking about the characteristic of larger bow flare and smaller molded depth.Slamming theory are discussed,and slamming load on bow structure are resolved into water enter impact pressure,collision impact pressure and green water impact pressure.Then,slamming-resistant performance of bow structure for 45 000 DWT river-sea ship is simulated under hydrostatic pressure and slamming load with different velocities.Results show that deformation and stress are influenced greatly by slamming load,and it is necessary to focus on structure strengthening and fatigue strength assessment for flare structure.

river-sea ship;bow structure;slamming load;green water

U661.4

A

1008－830X(2016)05－0436－05

2016-08-01

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

邵珠峰（1991-），男，山東濱州人，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.E-mail:1049336760@qq.com

張吉萍.E-mail:zhangjiping@zjou.edu.cn