小方型系數船舶的船體波浪載荷綜合研究

孫雪榮，汪戰(zhàn)軍，彭亞康

(1. 中國船舶及海洋工程研究設計院 海洋工程部，上海 200011；2. 哈爾濱工程大學 船舶工程學院，黑龍江 哈爾濱 150001)

小方型系數船舶的船體波浪載荷綜合研究

孫雪榮1，汪戰(zhàn)軍1，彭亞康2

(1. 中國船舶及海洋工程研究設計院 海洋工程部，上海 200011；2. 哈爾濱工程大學 船舶工程學院，黑龍江 哈爾濱 150001)

從船級社規(guī)范對于不符合主尺度比要求的船舶船體梁波浪載荷的規(guī)定出發(fā)，采用理論預報和船模試驗2種綜合方式，進行了小于0.6方型系數、高航速、高海況目標船的波浪載荷研究。從規(guī)范對波浪載荷的線性理論預報值進行的非線性修正，修正后中拱和中垂波浪彎矩絕對值之和與線性理論預報極值全幅值相等出發(fā)，闡述所研究船特殊主尺度比下的模型試驗結果、三維非線性水彈性理論預報結果顯示出的波浪載荷非線性行為；同時綜合模型試驗與理論預報的共同規(guī)律，研究不同波高、航速、浪向等非常規(guī)船型船體波浪載荷的強非線性行為，從而認為規(guī)范基于的線性理論預報值進行非線性修正的統(tǒng)一規(guī)定太過籠統(tǒng)，進而建議規(guī)范對波浪載荷的非線性修正予以進一步的明確區(qū)分和規(guī)定。

波浪載荷；船模試驗；水彈性；非線性；砰擊彎矩；波浪動彎矩

0 引 言

目前各船級社規(guī)范[1–3]對船體總縱強度的規(guī)定中，均對不符合主尺度比要求的船舶規(guī)定進行波浪載荷的直接計算，對于具有大外飄的船舶，可要求考慮砰擊引起的附加彎矩[1]。對于載運特殊貨物的船舶或非常規(guī)船型船舶，應根據貨物特性或船型作直接計算確定；若不能進行直接計算則需通過船模試驗綜合確定設計載荷。

LR船級社[4–5]針對氣墊船類的非排水型船和軍船由Slamming effect引起的船體波浪動彎矩值有具體規(guī)定，而且后者的軍船規(guī)范中明確的將波浪彎矩、首外飄砰擊彎矩、波浪動彎矩分別予以具體描述和規(guī)定，其清晰地將波浪彎矩之外的波浪載荷成份區(qū)分為船體內在（首外飄等）和外在（航速、波高等）兩大類，并明確要求將三者中的大者用于船體總縱強度校核。但目前大部分海船規(guī)范對不符合主尺度比要求的船舶波浪載荷的考慮并不具體和明確，尚處于不完善的狀態(tài)，停留在“case by case”或“special consideration”階段，對需計及的非線性因素也無統(tǒng)一明確的規(guī)定。

目前工程上亟需解決的是非常規(guī)主尺度比船型下船體波浪載荷設計值的最終確定，并非目前規(guī)范上籠統(tǒng)的涉及和簡單描述；船體波浪載荷設計值是船體結構設計的輸入，根本上決定著船體結構尤其是非常規(guī)主尺度比船型船體結構的設計方向。本文研究的非常規(guī)主尺度比船方型系數Cb小于0.6，其余主尺度比均滿足規(guī)范要求；型線變化迅速，首部大外飄，航速和作業(yè)海況要求均較高；鑒于所研究船型的特點，目標船的波浪載荷研究綜合以下各方面進行：

1）按照CCS《鋼質海船入級規(guī)范》（2015年版）（以下簡稱：CCS規(guī)范）關于波浪載荷的直接計算，采用三維線性理論預報經規(guī)范非線性修正估算；

2）按照CCS規(guī)范關于波浪載荷等效設計波法的直接計算，由線性理論預報極值確定設計波，采用三維非線性水彈性理論進行短期預報估算；

3）采用1∶25和1∶40兩種不同縮尺比船模試驗，其中，1∶25縮尺比船模試驗著重于對常規(guī)海況進行試驗，1∶40縮尺比船模試驗著重于對惡劣海況進行試驗。

本文立足目標船實際工程，著重于從規(guī)范設計出發(fā)，對船體波浪載荷設計值[6]（僅波浪彎矩部分）進行綜合研究以探討適合目標船的船體結構設計載荷，因而關于模型試驗[7–8]、三維線性理論預報、三維非線性水彈性理論預報[9]的背景技術及詳細內容均不予闡述。而且，本文如無特殊聲明，目標船模型試驗結果所采用數據均在哈爾濱工程大學的船模拖曳水池和大型海洋工程水池開展進行；三維線性理論預報結果值均采用經中國船級社認可的基于三維線性勢流理論的波浪載荷計算軟件COMPASS-WALCS-BASIC進行計算，三維非線性水彈性理論預報結果值均采用經中國船級社認可的基于三維非線性水彈性理論的波浪載荷計算軟件COMPASS-WALCS-NE進行計算。

1 規(guī)范非線性修正

依據CCS規(guī)范采用三維線性理論預報得到的垂向波浪彎矩應按下述要求進行非線性修正，經規(guī)范非線性修正前后的結果見表1。彎矩沿船長的分布系數見圖1。

表 1 垂向波浪彎矩值列表Tab. 1 List of vertical wave moment values

其中Cb方型系數，但計算取值不應小于0.6。

中拱和中垂非線性修正系數之和：

也就是說規(guī)范對非線性修正的規(guī)定中，就船中0.4 L～0.6 L之間垂向波浪彎矩的最大值而言，經規(guī)范非線性修正后的波浪彎矩全幅值與線性理論直接預報極值的全幅值相等，其比值為1.0。

2 三維非線性理論預報

由三維線性理論預報極值得到的目標船北大西洋海況10–8超越概率水平下的設計波高綜合目標船耐波性和增阻試驗，計算目標船非線性理論短期預報極值的設計波波高14 m，航速0～8 kn，其三維非線性水彈性理論預報波浪彎矩最大值結果見表2。

由表2可知：

1）目標船在14 m波高下除出現低頻波浪彎矩的弱非線性效應外，同時出現高頻強非線效應；而且目標船的強非線性效應從量級上不容忽視；

2）目標船在14 m波高下的中拱波浪彎矩非線性需引起重視；

3）目標船隨浪工況14 m波高下垂向彎矩線性理論計算結果與非線性理論下垂向彎矩計算結果基本吻合，說明目標船隨浪工況下的非線性效應不明顯；迎浪工況14 m波高下的非線性理論計算結果值要明顯大于線性理論計算結果，說明目標船迎浪工況下的非線性效應非常明顯，且量級上不可忽略；目標船在14 m波高下不同浪向的不同非線性現象不容忽視；

4）目標船14 m波高0 kn航速下合成波浪彎矩全幅值為規(guī)范非線性修正全幅值的1.30倍；低頻波浪彎矩全幅值為規(guī)范非線性修正全幅值的0.88倍；說明規(guī)范對非線性效應的修正并不適用于目標船。

進一步，設計波波高9 m航速10 kn以上的三維非線性水彈性理論預報波浪彎矩最大值結果見表3。

由表3可知：

1）目標船在9 m波高下除出現低頻波浪彎矩的非線性效應外，同時出現高頻強非線效應；而且從數據來看，目標船的強非線性效應不容忽視；

2）目標船在9 m波高下合成波浪彎矩全幅值（10 kn航速）為規(guī)范非線性修正全幅值的1.12倍；低頻波浪彎矩全幅值（10 kn航速）為規(guī)范非線性修正全幅值的0.73倍；進一步說明規(guī)范對非線性效應的規(guī)定并不適用于目標船。

表 2 理論垂向波浪彎矩最大值（波高14 m）Tab. 2 Theoretical maximum wave bending moment （wave height 14 m）

表 3 理論垂向波浪彎矩最大值（波高9 m）Tab. 3 Theoretical maximum wave bending moment （wave height 9 m）

3 模型試驗

在船模的設計中，為保證船模的彈性效應與實船相似，采用變截面分段船體梁模型，將船模分割為若干分段，各分段與等效船體梁固定，通過測試船體梁上的應變來得到船模的波浪載荷，設計海況下的波浪載荷模型試驗結果見表4，典型模型試驗結果見圖2，模型試驗結果與理論預報結果比較見圖3，船模試驗合成波浪彎矩全幅值與規(guī)范非線性修正全幅值之比隨波高的變化見圖4。

船模試驗結果表明：

1）目標船14 m波高，8 kn航速下模型試驗結果的合成彎矩全幅值為規(guī)范非線性修正全幅值的1.47倍；目標船9.6 m波高，16 kn航速下模型試驗結果的合成彎矩全幅值為規(guī)范非線性修正全幅值的1.50倍；目標船8.8 m波高，16 kn航速下模型試驗結果的合成彎矩全幅值為規(guī)范非線性修正全幅值的1.04倍；

2）目標船14 m波高，8 kn航速下模型試驗結果的低頻彎矩全幅值為規(guī)范非線性修正全幅值的0.70倍；目標船9.6 m波高，16 kn航速下模型試驗結果的低頻彎矩全幅值為規(guī)范非線性修正全幅值的0.66倍；目標船8.8 m波高，16 kn航速下模型試驗結果的低頻彎矩全幅值為規(guī)范非線性修正全幅值的0.48倍；

3）模型試驗結果顯示，目標船8 kn航速下，波高大于約8.7 m時，出現不同于規(guī)范的非線性；16 kn航速下，波高大于約7.5 m時，目標船出現不同于規(guī)范的非線性；22 kn航速下，波高大于約7 m時，目標船出現不同于規(guī)范的非線性；

4）模型試驗結果和三維非線性水彈性理論預報結果基本吻合，并共同證實了規(guī)范對非線性效應的規(guī)定并不適用于目標船。

4 非線性現象綜合研究

為進一步研究目標船發(fā)生非線性行為的規(guī)律，綜合目標船耐波性和增阻試驗，本文綜合三維非線性水彈性理論預報結果研究目標船波浪載荷隨波高、航速變化的非線性效應，計算工況見表5。

表 4 模型試驗垂向波浪彎矩最大值Tab. 4 The maximum vertical bending moment of model test

波浪彎矩隨波高變化及合成波浪彎矩全幅值與規(guī)范非線性修正全幅值之比隨波高的變化分別見圖5～圖7。

由以上計算結果及趨勢圖可知：

1）8 kn航速波高大于8 m時，目標船中垂波浪彎矩的非線性效應增加明顯；波高大于10 m時，中拱波浪彎矩也出現明顯的非線性； 8 kn航速波高大于約8.8 m時，目標船出現不同于規(guī)范的非線性；

2）16 kn航速波高大于6 m時，目標船中垂波浪彎矩非線性效應增加明顯；波高大于約7.4 m時，目標船出現不同于規(guī)范的非線性；

3）波高9 m計算航速下，目標船的中垂波浪彎矩非線性效應增加明顯；波高14 m時，中拱波浪彎矩出現非常明顯的非線性效應，目標船在14 m大波高下波浪載荷均呈現明顯的非線性。

表5計算工況Tab. 5 Calculation conditions

5 結 語

本文從規(guī)范對不符合主尺度比要求的船舶船體波浪載荷規(guī)定出發(fā)，以波浪彎矩全幅值與規(guī)范非線性修正全幅值之比為基礎，通過模型試驗、理論預報與模型試驗比較、非線性現象綜合研究為目標船船體波浪載荷的設計值確定奠定了理論及試驗基礎；目標船船體波浪載荷非線性效應隨波高或航速的增大明顯增強，且隨浪向變化，在大波高環(huán)境下，目標船中拱和中垂波浪彎矩均需計入非線性；著重于探討了方型系數較小，型線變化迅速，首部大外飄船型的船體波浪載荷隨波高或航速變化而呈現的非線性規(guī)律，同時在高海況、高航速下呈現出的不同于規(guī)范的非線性現象。

本文并未對砰擊彎矩和波浪動彎矩在非常規(guī)主尺度比船波浪載荷上的具體體現進行嚴格區(qū)分，僅從目標船呈現的不同于規(guī)范規(guī)定的非線性現象出發(fā)，對目前規(guī)范基于的波浪載荷線性理論預報進行非線性修正的統(tǒng)一規(guī)定提出明確化、詳細化的修改建議；同時，希望本文的工作能對學術界波浪載荷的砰擊彎矩和波浪動彎矩的進一步理論研究提供工程支撐。

[1]CCS中國船級社. 鋼質海船入級規(guī)范[S], CCS, 2015.

[2]DNV. CSA-direct analysis of ship structures[S], DNV CLASSIFICATION NOTES NO. 34. 1, 2013.

[3]ABS. RULES FOR BUILDING AND CLASSING STEEL VESSELS. ABS, 2014.

[4]LR. Rules and regulations for the classification of special service craft[S], LR, 2004.

[5]LR. Rules and regulations for the classification of naval ships[S], LR, 2015.

[6]戴仰山, 沈進威, 宋競正. 極限強度校核中的幾個問題[J], 中國造船, 2007, 48(1): 102–105.

[7]汪雪良, 顧學康, 祈恩榮, 等. 船舶波浪載荷預報方法和模型試驗研究綜述[J]. 艦船科學技術, 2008, 30(6): 20–28.

[8]汪雪良, 顧學康, 祈恩榮, 等. 船舶波浪載荷預報方法和模型試驗研究綜述[D]. 上海: 上海交通大學, 2013.

[9]李輝. 船舶波浪載荷的三維水彈性分析方法研究[D]. 哈爾濱:哈爾濱工程大學, 2009.

The study of wave loads about small block coefficient ships

SUN Xue-rong1, WANG Zhan-jun1, PENG Ya-kang2
(1. Marine Design and Research Institute of China, Shanghai 200011, China; 2. Harbin Engineering University, College of Shipbuilding Engineering, Harbin 150001, China)

The paper studied wave loads about unconventional ships using theory prediction and model test combination methods based on rule requirements, which CB coefficient is less than 0.6 and navigations on high speed and very high or phenomenal sea. The sum of modified rule absolute values between hogging and sagging vertical wave bending moments is equal to the complete data of linear predications. For the target small block coefficient ships, the results of model test and nonlinear elastic theory prediction both illustrate strong nonlinear effects about wave loads, and the strong nonlinear effects is smartly different from the rule’s nonlinear effects. So the specific requirements and regulations about nonlinear effects for small block coefficient ships should be clarified by the rule.

wave loads；model test；elastic theory；nonlinear effect；impact bending moment；dynamic bending moment

U662.1

A

1672 – 7649(2017)08 – 0017 – 05

10.3404/j.issn.1672 – 7649.2017.08.004

2017 – 02 – 20

孫雪榮(1979 – )，女，高級工程師，從事船舶結構強度分析及振動噪聲研究。