船艏外飄砰擊三維仿真研究

高麗莎++周盼

摘 要：砰擊是運動著的船體與波浪相互作用而產(chǎn)生的高度非線性現(xiàn)象。一般包括底部砰擊、外飄砰擊和上浪砰擊三種類型。本文利用Ls-dyna軟件研究了江海直達船船艏外飄砰擊壓力，建立了包含空氣、水和三維船艏的流固耦合模型。提取有限元模型中的外飄砰擊壓力，探討在不同速度以及不同入水角度下，外飄砰擊壓力與速度的關(guān)系，以及外飄砰擊壓力沿船長和沿高度方向的分布規(guī)律。

關(guān)鍵詞：外飄砰擊 流固耦合 非線性有限元

中圖分類號：U66 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2017）08（c）-0062-02

外飄砰擊是船舶在海上運動時，當(dāng)波浪沖擊船艏外飄區(qū)域時，常常會產(chǎn)生很大的脈沖水動力，使船體的加速度發(fā)生突變的一種現(xiàn)象。通常集裝箱船、航空母艦等具有較大船艏外飄的船舶，需要考慮外飄砰擊帶來的威脅[1]。目前國內(nèi)有一些研究外飄砰擊的文獻，比如趙留平利用MSC.Dytran軟件研究了船艏外飄砰擊[2]。彭晟等對江海直達船艏部結(jié)構(gòu)進行了入水砰擊試驗[3]。

1 三維船艏外飄砰擊數(shù)值仿真

江海直達船是一種能夠在內(nèi)河以及沿海兩個航區(qū)航行的船舶，許多江海直達船使用集裝箱船的形式，首部有較大外飄。以某江海直達船為例子，運用Ls-dyna顯示動力分析軟件，以1∶1比例取該船船體155#肋位至船艏建立三維船體仿真模型。該船設(shè)計吃水為5.5m。

將模型置于100m×80m×60m的水域以及100m×80m×20m的空氣域中。流體（水和空氣）均采用Gruneisen狀態(tài)方程，模型則視為剛體。水和空氣采用Euler網(wǎng)格建模，單元使用單點積分的多物質(zhì)ALE算法；結(jié)構(gòu)模型采用Lagrange網(wǎng)格建模。結(jié)構(gòu)與流體間采用ALE一般耦合算法，將兩者的交界面即船體外殼定義為流固耦合面?？諝庥蚝退虻木W(wǎng)格按照中心加密的不等密度網(wǎng)格劃分，靠近模型的空氣域和水域的網(wǎng)格較密。空氣域和水域的四周采用無反射邊界條件。坐標(biāo)軸采用右手定則，沿船長方向為x軸，沿高度方向為y軸，沿船寬方向為z軸。結(jié)構(gòu)物模型以5.5m設(shè)計吃水置于水域中。整體模型如圖1所示。

2 船艏外飄砰擊壓力規(guī)律分析

2.1 結(jié)構(gòu)物垂直入水

船艏外飄砰擊壓力主要由兩部分組成，一是由船體與波浪的相對速度在水面的法向分量引起的沖擊表面與波浪之間的入水沖擊壓力Pi；二是船體與波浪的相對速度在水面的切向分量引起的沖擊表面與水質(zhì)點之間的撞擊沖擊壓力Ps。撞擊沖擊壓力遠較入水沖擊壓力小?，F(xiàn)將結(jié)構(gòu)模型以5m/s、6m/s、7m/s的速度垂直入水。

取結(jié)構(gòu)模型170#肋位處，7米水線、9米水線、11米水線上的點的砰擊壓力峰值，與入水速度的平方做比較，可以看出砰擊壓力峰值基本成線性關(guān)系。砰擊壓力峰值與速度平方的關(guān)系如表1所示。由表1可以看出，在同一水線下，砰擊壓力峰值隨著入水速度的平方的增大而增大。

2.2 結(jié)構(gòu)物斜至入水

為了能夠更好地模擬船舶在波浪中受到外飄砰擊壓力的作用，現(xiàn)將結(jié)構(gòu)物模型斜置于水面。由于江海直達船主要航行于E1海域，由統(tǒng)計資料得到E1海域有一波較危險的情況是在6～7.5m，且平均跨零周期在8～10s，由此可得到危險情況下波陡的大小。故將模型旋轉(zhuǎn)5°、10°、15°、20°，用以比較在相同速度（5m/s）不同角度下，砰擊壓力的大小。

結(jié)構(gòu)物模型與水面呈20°，如圖1所示。不同角度下，船艏外飄砰擊壓力在7米水線各點處的變化如表2所示。由表2可知，外飄砰擊壓力在不同的角度下，沿船長方向角度越大砰擊壓力越大。當(dāng)船艏斜至20°時，在7米水線處，砰擊壓力的變化幅度較大。模型以同一速度，不同角度入水時，在180#肋位處的砰擊壓力變化見表3。由表3可知，外飄砰擊壓力在不同的角度下，沿高度方向，角度越大砰擊壓力越大。當(dāng)船艏斜至20°時，砰擊壓力沿180#肋位變化幅度較大。

3 結(jié)論

外飄砰擊壓力屬于非線性問題，具有一定的復(fù)雜性。本文利用Ls-dyna軟件，考慮流固耦合的作用，取得各點處的外飄砰擊壓力，得到以下一些結(jié)論：（1）隨著速度的增加，外飄砰擊越來越大，砰擊壓力正比于各點處的入水速度。（2）外飄砰擊隨高度的增加而降低，靠近設(shè)計吃水處，外飄砰擊較大。（3）沿船長方向，在靠近船艏處，外飄砰擊一般較大。（3）隨著入水角度的改變，外飄砰擊發(fā)生變化，一般情況下，入水角度越大，外飄砰擊越大。

參考文獻

[1] 戴仰山，沈進威，宋競正.船舶波浪載荷[M].北京：國防工業(yè)出版社，2007.

[2] 趙留平.船舶艏部外飄砰擊壓力的仿真研究[J].四川兵工學(xué)報，2015，36（10）：15-17.

[3] 彭晟，吳衛(wèi)國，夏子鈺.江海直達船艏部結(jié)構(gòu)入水砰擊試驗[J].中國艦船研究，2016，11（4）：14-21.endprint