某大尺度新船型波浪載荷理論預(yù)報(bào)

肖 武王海洋

（1.海軍裝備部水面艦艇局 北京100841；2.中國船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院 上海200011）

船舶結(jié)構(gòu)

某大尺度新船型波浪載荷理論預(yù)報(bào)

肖 武1王海洋2

（1.海軍裝備部水面艦艇局 北京100841；2.中國船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院 上海200011）

針對某大尺度新船型的船體線型特點(diǎn)，運(yùn)用COMPASS-WALCS軟件對其船體波浪線性、非線性載荷（包括砰擊載荷）進(jìn)行預(yù)報(bào)，并與BV船級社規(guī)范計(jì)算結(jié)果、船模試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比分析，結(jié)果表明：非線性載荷預(yù)報(bào)有一定準(zhǔn)確度，可以對實(shí)船設(shè)計(jì)起到指導(dǎo)作用。

大尺度；新船型；非線性；砰擊載荷；船模試驗(yàn)

引 言

大型水面艦船和軍輔船為兼顧高航速和大甲板面積，往往線型瘦削、首部外飄大，由于需滿足相應(yīng)使命的要求，沒有固定航線，緊急任務(wù)時不能規(guī)避惡劣海況。本文研究的目標(biāo)船為一種大尺度新船型。與普通軍用艦船相比，其不僅排水量更大（約70 000 t）、船長更長（約300 m），而且其橫剖面線型沿船長變化較大，首部外飄嚴(yán)重，導(dǎo)致船體所受的砰擊載荷水平較高，波浪載荷的非線性特征也較明顯。

對于常規(guī)船型，船級社規(guī)范中一般使用設(shè)計(jì)波法來確定在評估船體強(qiáng)度時所用的波浪載荷水平。這種方法主要使用基于頻域線性計(jì)算方法計(jì)算波浪載荷的頻率響應(yīng)函數(shù)，結(jié)合譜分析法計(jì)算波浪載荷的設(shè)計(jì)值，這種方法無法計(jì)及航速、線型、砰擊等波浪載荷非線性成份的綜合影響。

目前已有較多專業(yè)軟件可用來計(jì)算船體在波浪中的運(yùn)動和載荷，這些軟件大多都是基于水動力數(shù)值算法編寫的，比如挪威船級社DNV的SESAM軟件，該軟件包含兩套水動力數(shù)值求解器，分別是基于三維頻域線性算法的Wadam模塊和基于三維時域算法的Wasim模塊。其中Wasim以Rankine源作為求解水動力問題的基礎(chǔ)，包含線性和非線性的計(jì)算方法。另外，中國船級社和哈爾濱工程大學(xué)聯(lián)合開發(fā)的COMPASS-WALCS-NE軟件以三維勢流理論和三維結(jié)構(gòu)動力學(xué)為基礎(chǔ)［1-3］，考慮船體瞬時濕表面的變化引起的非線性波浪力［4］、船體大幅運(yùn)動時首尾受到的砰擊上浪［5］等非線性載荷以及結(jié)構(gòu)水彈性的影響，通過求解時域水彈性力學(xué)方程，獲得船體非線性運(yùn)動、剖面載荷的時歷數(shù)據(jù)。

本文基于COMPASS-WALCS軟件，分別使用其線性和非線性模塊，對目標(biāo)船進(jìn)行船體波浪載荷預(yù)報(bào)，并與BV船級社規(guī)范值和試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比分析，為該船型的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。

1 基于COMPASS-WALCS的船體波浪載荷預(yù)報(bào)

1.1 水動力模型

船體濕表面的水動力網(wǎng)格模型如圖1所示。

目標(biāo)船的質(zhì)量按各個站位的分布情況，施加在模型上。

1.2 線性波浪載荷計(jì)算

1.2.1 計(jì)算步驟

（1）波浪誘導(dǎo)運(yùn)動及載荷傳遞函數(shù)計(jì)算；

（2）根據(jù)波浪誘導(dǎo)運(yùn)動、 載荷傳遞函數(shù)和海浪譜 ，利用數(shù)理統(tǒng)計(jì)理論進(jìn)行船體運(yùn)動和波浪載荷的短期

（3）根據(jù)波浪誘導(dǎo)運(yùn)動和載荷傳遞函數(shù) ，海浪譜以及波浪散布圖，計(jì)算確定概率水平下的船體運(yùn)動和波浪載荷的長期預(yù)報(bào)值。

1.2.2 計(jì)算參數(shù)

航速：5 kn，18 kn；水深：無限水深；

浪向：0°～ 360°，步長15°；

波幅：單位波幅；

相位：0；

波浪頻率：0.2 ～ 2.0 rad/s，步長0.05 rad/s；海浪譜：采用ISSC推薦的雙參數(shù)PM譜；波浪散布圖：采用IACS推薦的NO.34北大西洋海況；

計(jì)算橫剖面：根據(jù)目標(biāo)船的站位選取載荷計(jì)算的剖面，從船首至船尾共20個計(jì)算剖面。

1.2.3 船體波浪誘導(dǎo)運(yùn)動及垂向波浪載荷的傳遞函數(shù)計(jì)算

短期海浪可視為均值為0的平穩(wěn)正態(tài)隨機(jī)過程，此時船體對波浪的響應(yīng)，可看作是線性時不變系統(tǒng)。由隨機(jī)過程理論可知，在海浪的作用下（輸入），其響應(yīng)—波浪載荷（輸出）亦將是均值為0的平穩(wěn)正態(tài)隨機(jī)過程。本文運(yùn)用COMPASSWALCS軟件進(jìn)行頻率響應(yīng)函數(shù)計(jì)算，在此僅列出縱搖運(yùn)動頻率響應(yīng)曲線，結(jié)果見圖2。

進(jìn)行設(shè)計(jì)波載荷選取的時候，以垂向波浪彎矩作為設(shè)計(jì)載荷，故僅列出迎浪時船舯剖面垂向彎矩My的頻率響應(yīng)曲線，垂向彎矩響應(yīng)幅值隨著航速的增加而增加，迎浪是最關(guān)鍵的浪向，結(jié)果見圖3。

1.2.4 長期預(yù)報(bào)

認(rèn)為由各種不同海情、航行狀態(tài)所組成的短期分布彼此相互獨(dú)立，那么長期概率分布則是各短期概率分布的加權(quán)組合。在得到剖面載荷的頻率響應(yīng)函數(shù)后，根據(jù)概率論和數(shù)理統(tǒng)計(jì)原理對剖面載荷進(jìn)行長期預(yù)報(bào)，取超越概率水平為10-8，結(jié)果見圖4。

根據(jù)對比所用規(guī)范的載荷計(jì)算結(jié)果，選取與規(guī)范相同的分離因子，得到中拱和中垂設(shè)計(jì)載荷（參見表1）。

表1 線性長期預(yù)報(bào)值與規(guī)范值對比

將線性長期預(yù)報(bào)值與BV規(guī)范計(jì)算值對比，結(jié)果如表1所示?？梢钥闯?，兩個航速下線性長期預(yù)報(bào)值均小于規(guī)范值，其中航速為18 kn時，線性預(yù)報(bào)值與規(guī)范值較為接近。

1.3 非線性波浪載荷計(jì)算

1.3.1 計(jì)算方法

在計(jì)算船體非線性波浪載荷時，用到的船體水動力網(wǎng)格與計(jì)算線性載荷時有所不同，考慮到自由液面及船體幾何表面的非線性，此時水動力網(wǎng)格模型包含整個船體外板，求解原理簡介如下：

非線性波浪載荷在時域里求解的運(yùn)動方程為：

對于船體剖面載荷，由式（1）變形后解出主坐標(biāo)；利用模態(tài)疊加原理，就可以得到船體結(jié)構(gòu)的位移彎矩和剪切力其中m為各階模態(tài)。

1.3.2 計(jì)算結(jié)果

采用時域算法進(jìn)行非線性波浪載荷求解，取波長船長比為1.0，浪向?yàn)橛?，分別取航速為5 kn，波高為8 m、12 m、14 m、17 m、20 m、21 m、24 m；航速為18 kn，波高為3 m、6 m、8 m、10 m、11 m、12 m、13 m、14 m；波高為8 m，航速為5 kn、8 kn、12 kn、15 kn、18 kn；波高為12 m，航速為5 kn、8 kn、12 kn、15 kn、18 kn。計(jì)算各波高、航速組合下的非線性波浪合成彎矩，分析高頻和低頻濾波，得到相應(yīng)的低頻波浪彎矩和高頻砰擊彎矩，結(jié)果如圖5和圖6所示。

可見，航速為5 kn時，波浪彎矩隨波高的變化基本呈線性變化趨勢。航速為18 kn、波高＜8 m時，波浪彎矩基本呈線性變化；波高＞8 m后，隨著波高增加，波浪彎矩增加較顯著，而砰擊彎矩增加速度更快，大波高時甚至超過波浪彎矩。 波高8 m和12 m時的彎矩成分隨航速變化如圖7、圖8所示。

可見，當(dāng)波高為8 m時，中拱波浪載荷隨航速變化基本呈線性變化，中垂波浪載荷在航速較低時亦呈線性變化；當(dāng)航速較高時，波浪彎矩和砰擊彎矩變化增大，非線性效應(yīng)顯現(xiàn)；當(dāng)波高為12 m時，波浪彎矩隨航速呈線性變化，而砰擊彎矩在航速高于12 kn后變化明顯，當(dāng)航速為18 kn時，甚至超過波浪彎矩。這一切說明砰擊彎矩受航速影響較大。

中拱中垂分離現(xiàn)象隨著航速和波高增大也日益明顯，分離因子亦相應(yīng)放大。

2 船模試驗(yàn)

為驗(yàn)證波浪載荷理論計(jì)算結(jié)果，還開展了船模試驗(yàn)。船?？s尺比為1 ∶ 50，船體外殼采用玻璃鋼材料，并配備沿船長分布的變截面龍骨梁，龍骨梁標(biāo)定參見圖9。

試驗(yàn)結(jié)果采用模型與實(shí)船的縮尺換算關(guān)系進(jìn)行處理，將模型所測得的壓力信號換算到實(shí)船，以航速18 kn為例，列出目標(biāo)船在波長與船長比為1.0迎浪時各波高下的試驗(yàn)時歷曲線（波浪彎矩由合成彎矩時歷曲線低頻濾波得到），參見圖10。

可見，船體波浪載荷中不僅包含低頻的波浪彎矩，而且還有高頻的砰擊彎矩存在，波高較小時，合成彎矩中波浪彎矩占主要比例，隨著波高增大，砰擊彎矩成分在合成彎矩中所占比例也相應(yīng)增大。

3 試驗(yàn)結(jié)果對比分析

3.1 非線性方法時域解與試驗(yàn)結(jié)果對比

基于三維時域非線性水彈性理論，選取不同航速下目標(biāo)船在迎浪典型工況下的時域解，并與模型試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，得出如圖11—圖16所示結(jié)果。圖中的橫坐標(biāo)為時間（無因次），縱坐標(biāo)為波浪合成彎矩（無因次）。

3.1.1 航速為5 kn、波長與船長比為1.0、迎浪

工況下的不同波高結(jié)果對比

3.1.2 實(shí)船航速為18 kn、波長與船長比為1.0迎浪工況下不同波高結(jié)果對比

從上述時域結(jié)果比較圖可見：當(dāng)波高較小、航速較低的情況下，目標(biāo)船的非線性理論計(jì)算結(jié)果與模型試驗(yàn)結(jié)果吻合較好； 當(dāng)波高較大、航速較高時，波浪載荷的非線性現(xiàn)象比較明顯（理論計(jì)算結(jié)果與模型試驗(yàn)結(jié)果有些偏差）。

3.2 設(shè)計(jì)載荷對比

將BV規(guī)范載荷、線性預(yù)報(bào)載荷、非線性預(yù)報(bào)載荷和試驗(yàn)載荷進(jìn)行對比分析，其中規(guī)范值與線性計(jì)算值沒有考慮砰擊載荷的影響，非線性理論計(jì)算與試驗(yàn)值中均包含砰擊載荷。分別對比結(jié)果參見表2與圖17。

表2 考慮砰擊彎矩時的設(shè)計(jì)載荷對比

對非線性計(jì)算值與試驗(yàn)值進(jìn)行濾波處理，分離出低頻波浪彎矩與高頻砰擊彎矩，將其波浪彎矩值對比如下（參見表3和圖18）。

表3 不考慮砰擊彎矩時的設(shè)計(jì)載荷對比

由上述對比結(jié)果可見：由于規(guī)范值與線性計(jì)算值未考慮砰擊載荷的影響，這與船體在波浪中航行時的情況有偏差，故其計(jì)算結(jié)果偏小，而非線性計(jì)算值考慮到砰擊載荷的影響，與試驗(yàn)值較為吻合。

4 結(jié) 論

通過對目標(biāo)船船體波浪線性和非線性載荷（包括砰擊載荷）進(jìn)行預(yù)報(bào)，并與BV規(guī)范的計(jì)算結(jié)果和船模試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比分析，得到以下結(jié)論：

（1）該船船型特殊，外飄砰擊明顯，特別是當(dāng)波高較大、航速較高時，砰擊載荷水平更高，在合成彎矩中所占的比例也更大。

（2）隨著航速和波高增大，中拱中垂分離的現(xiàn)象也愈發(fā)明顯，此時分離因子也相應(yīng)放大。

（3）由于未考慮砰擊載荷的影響，線性預(yù)報(bào)誤差很大，BV規(guī)范計(jì)算的結(jié)果與線性預(yù)報(bào)結(jié)果較接近，與非線性預(yù)報(bào)和試驗(yàn)結(jié)果相差較大，說明對此類新船型并不適用；因此采用非線性預(yù)報(bào)方法很有必要。

（4）與試驗(yàn)結(jié)果相比，非線性預(yù)報(bào)方法有一定精確度。本船在18 kn時，誤差尚處于可接受范圍，但隨著航速進(jìn)一步提高，誤差也會進(jìn)一步增大，此外，計(jì)算時水動力系數(shù)的選取則需根據(jù)船型、航速、海況等綜合因素予以確定，對計(jì)算者的經(jīng)驗(yàn)要求較高。

（5）設(shè)計(jì)載荷的非線性結(jié)果略大于試驗(yàn)值，可指導(dǎo)實(shí)船設(shè)計(jì)，結(jié)果較為安全。

［1］ 劉應(yīng)中， 繆國平.船舶在波浪上的運(yùn)動理論［M］.上海：上海交通大學(xué)出版社，1987.

［2］ 戴遺山，段文洋.船舶在波浪中運(yùn)動的勢流理論［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2008：20-35．

［3］ 戴遺山. 艦船在波浪中運(yùn)動的頻域與時域勢流理論［M］.北京：國防工業(yè)出版社， 1998.

［4］許晟 譯，辛仲 校. 三維非線性波浪載荷和結(jié)構(gòu)響應(yīng)仿真技術(shù)在艦船設(shè)計(jì)中的應(yīng)用［J］. 國外艦船工程，1998（3）：1-10.

［5］ 陶智祥，戴仰山.外張砰擊載荷［J］.中國造船， 1991（4）：43-51.

Wave loads prediction of large scale new type ship

XIAO Wu1WANG Hai-yang2
(1. Surface ship bureau of the naval armaments department, Beijing 100841, China; 2. Marine Design & Research Institute of China, Shanghai 200011, China)

Considering the hull line characteristics of a new-type ship, the linear and non-linear wave loads, including the slamming loads, are predicted by the COMPASS-WALCS software. Then the calculation results are compared with the results calculated by the BV rules and the experimental results. It shows that the accuracy of the predicted nonlinear wave loads is fairly sufficient, which can be used to guide the ship design.

large scale; new ship type; nonlinear; slamming loads; ship model test

U661.4

A

1001-9855（2017）04-0039-08

10.19423 / j.cnki.31-1561 / u.2017.04.039

2017-05-10；

2017-06-27

肖 武（1990-），男，工程師。研究方向：艦船總體設(shè)計(jì)。

王海洋（1986-），男，碩士，工程師。研究方向：艦船結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。