基于耐波性數(shù)值仿真的三體測(cè)量船 片體布局優(yōu)化研究

潘登 鄭東嶸 程玉芹 何正來

摘 要：無人測(cè)量船裝備的儀器設(shè)備對(duì)船舶運(yùn)動(dòng)響應(yīng)相對(duì)敏感，對(duì)耐波性等方面有更嚴(yán)格的要求，而無人測(cè)量船的尺度相對(duì)較小，需要布置的設(shè)備較多，選用耐波性優(yōu)良的三體船型作為無人測(cè)量船平臺(tái)是一個(gè)的新的嘗試。本文通過改變?nèi)w船的片體位置的布局來探究最佳耐波性方案，使用大型水動(dòng)力計(jì)算軟件AQWA，基于三維勢(shì)流理論，研究了新型三體無人測(cè)量船在航狀態(tài)下的頻域響應(yīng)和時(shí)域響應(yīng)，計(jì)算了片體在不同位置的情況下頻域和時(shí)域的水動(dòng)力響應(yīng)，得到三體船各自由度下的運(yùn)動(dòng)峰值對(duì)應(yīng)的頻率。另外本文還研究了片體的縱向布置對(duì)三體船縱搖的影響。結(jié)果表明：在大部分工況下，頻域分析的運(yùn)動(dòng)幅度大于時(shí)域分析；在迎浪情況下，隨著片體尾部距離主體尾部越來越大，該三體船縱搖幅度越來越小。

關(guān)鍵詞：無人船；三體船；耐波性；頻域響應(yīng)；時(shí)域響應(yīng)；片體

中圖分類號(hào)：U662 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006—7973（2018）8-0065-04

1引言

隨著我國“海洋強(qiáng)國”戰(zhàn)略的實(shí)施，提高海洋資源的探測(cè)和開發(fā)能力越來越受到重視，測(cè)量船則是一種專門用于水底測(cè)量的船舶。隨著第四次工業(yè)革命“人工智能”的到來，測(cè)量船的無人化和智能化是時(shí)代發(fā)展的重要方向。無人測(cè)量船作為新一代海洋探測(cè)船，極大地促進(jìn)海洋探測(cè)作業(yè)的效率和精度，并且無需人工駕駛，減少運(yùn)營成本。無人測(cè)量艇上裝備有大量對(duì)船體運(yùn)動(dòng)要求較高的儀器設(shè)備，如多波束等對(duì)縱搖有著嚴(yán)格的要求，設(shè)計(jì)一種耐波性能優(yōu)良的艇型變得極為重要。三體船型因其優(yōu)良的快速性、寬敞的甲板平臺(tái)、較好的穩(wěn)性和耐波性等諸多優(yōu)點(diǎn)，深受船舶界青睞[1]。上世紀(jì)90年代末開始，上海交通大學(xué)已經(jīng)開始對(duì)三體船的研究，日本防衛(wèi)省在2014年提出了發(fā)展多用途三體船的概念[2]，三體船的主船體為一細(xì)長體，左右兩側(cè)體一般為對(duì)稱分布，其作為一種新型船舶，比常規(guī)單船舶表現(xiàn)出良好的水動(dòng)力性能[3]。英國學(xué)者Andrews將理論計(jì)算和能量法相結(jié)合，對(duì)三體船的橫搖運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了預(yù)報(bào)研究；意大利Andrea Colagrossi等采用三維Rankine源邊界積分方程方法求解三體船在波浪上的運(yùn)動(dòng)和波浪載荷[4]。國內(nèi)也有諸多學(xué)者做了相關(guān)的耐波性研究，段文洋使用二維時(shí)域Green函數(shù)法對(duì)三體船的耐波性進(jìn)行了預(yù)報(bào)[5]。

鑒于三體船型優(yōu)良的耐波性能，本研究選取三體船作為某無人測(cè)量系統(tǒng)的艇體平臺(tái)。三體船的片體位置布局對(duì)三體船的六個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)有著重要的影響[6]。因此本文基于耐波減搖性能展開三體船片體優(yōu)化布局研究，三維勢(shì)流理論對(duì)新開發(fā)的三體無人測(cè)量船在有航速下的頻域響應(yīng)和時(shí)域響應(yīng)作了預(yù)報(bào)，并研究了片體的布置對(duì)該船耐波性的影響，基于耐波減搖性能得出最佳的片體布置方案，對(duì)三體無人測(cè)量船片體的布置提出了優(yōu)化建議，用于指導(dǎo)三體測(cè)量船的最終艇體設(shè)計(jì)。

2基本理論

在水動(dòng)力的理論研究中，通常假定流體時(shí)無粘、無旋和不可壓縮的理想流體。在給定邊界條件和初始條件時(shí)速度勢(shì)函數(shù)滿足拉普拉斯方程

（1）

浮體在靜水自由表面上做六個(gè)自由度搖蕩運(yùn)動(dòng)時(shí)，一階不定常速度勢(shì)滿足其他條件，以確保聯(lián)立的方程能夠得到定解。

在自由表面： （5）

濕表面條件： （6）

海底邊界條件： （7）

無窮遠(yuǎn)處邊界條件： （8）

總速度勢(shì)可以認(rèn)為是由入射波速度勢(shì)、繞射速度勢(shì)和幅射速度勢(shì)組成：

（9）

通過源匯法得到船體水動(dòng)力濕表面上每一個(gè)水動(dòng)力網(wǎng)格上的速度勢(shì)：

（10）

一旦求得船體濕表面上的速度勢(shì)之后，運(yùn)用動(dòng)量方程得到作用在船體表面上的動(dòng)壓力值如式（11）。沿濕表面上的壓力積分便可得到作用在結(jié)構(gòu)上的波浪力的水平、垂直、及力矩為式（12）。

通過以上理論方法可以計(jì)算頻域和時(shí)域下的船體在大波浪下的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)和波浪載荷壓力，通?；陬l域下的幅值響應(yīng)算子RAO可以獲得船體在不同相位下的波浪的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)、波浪力響應(yīng)、壓力值響應(yīng)和加速度響應(yīng)。

3有限元模型及參數(shù)選取

3.1模型建立

在水動(dòng)力分析中，幾何模型需要建立浮體的外表面模型。采用ANSYS DesignModeler幾何建模模塊對(duì)原幾何模型進(jìn)行編輯與修復(fù)，得到的新幾何模型如圖1所示。

在圖1中，坐標(biāo)系+X方向?yàn)榇仓赶虼祝?Y方向指向左舷，+Z方向豎直向上。坐標(biāo)系原點(diǎn)位于船中位置。

水動(dòng)力模型的網(wǎng)格尺寸設(shè)置為0.08m，生成的總單元數(shù)為6565個(gè)，濕表面單元數(shù)為3700個(gè)，網(wǎng)格模型如圖2所示。

3.2參數(shù)選取

水動(dòng)力RAO的計(jì)算通常假定在單位波幅規(guī)則波作用下的浮體運(yùn)動(dòng)和波浪力，與波高呈線性關(guān)系。計(jì)算該船在規(guī)則波下的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)幅值算子（RAOs），工作環(huán)境水深暫定為無限水深，航速8kn，主要計(jì)算工況如表1所示。

3.3計(jì)算結(jié)果分析

頻域分析是計(jì)算三體船在單位波幅（即波高2m）的規(guī)則波浪下的線性運(yùn)動(dòng)響應(yīng)。根據(jù)線性假設(shè)，各頻域工況計(jì)算得到的RAO值乘以系數(shù)0.625，可以得到波高1.25m時(shí)規(guī)則波浪下的線性運(yùn)動(dòng)響應(yīng)。計(jì)算得到的150°及180°縱搖運(yùn)動(dòng)結(jié)果如圖3所示。

將該三體船在頻域響應(yīng)和時(shí)域響應(yīng)的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比如表3所示。根據(jù)計(jì)算結(jié)果得到：

（1）該三體船在150°情況下縱搖響應(yīng)幅值最大。

（2）在頻域分析中，浪向?yàn)?～90度之間時(shí)，三體船縱搖的峰值頻率均發(fā)生在波浪最大允許頻率處，此時(shí)遭遇頻率接近于0，縱搖峰值接近無窮大。

（3）在大部分工況下，頻域分析的運(yùn)動(dòng)幅度大于時(shí)域分析。

（4）對(duì)于浪向角120 o的橫搖運(yùn)動(dòng)，由于平衡姿態(tài)為右傾，船舶右舷受浪面積更大，所以其橫搖的時(shí)域分析結(jié)果略大于頻域結(jié)果。

4片體布局優(yōu)化

對(duì)于三體船，其片體的布置對(duì)于水動(dòng)力響應(yīng)具有較大的影響，針對(duì)以上的分析結(jié)果，本文改變主體和片體的縱向相對(duì)位置，對(duì)其縱搖響應(yīng)進(jìn)行優(yōu)化。

設(shè)主體長度為L，數(shù)值為5m，片體布置上，保持片體和主體之間的橫向距離不變，片體尾部距主體尾部距離為d ，如圖5所示。

采用AQWA水動(dòng)力計(jì)算軟件，對(duì)各個(gè)主體與片體布局的在迎浪情況下縱搖響應(yīng)進(jìn)行計(jì)算， RAOs結(jié)果如下圖7所示。

由上圖7的結(jié)果可知片體尾部與主體尾部的距離對(duì)出現(xiàn)縱搖幅值的頻率基本沒有影響；但是隨著片體尾部與主體尾部距離增大，縱搖幅值逐漸減小。

5結(jié)語

對(duì)該無人三體測(cè)量船使用AQWA進(jìn)行頻域響應(yīng)和時(shí)域響應(yīng)計(jì)算，可以得出如下結(jié)論：

（1）因?yàn)轭l域分析基于“平均濕表面”假設(shè)，而時(shí)域分析考慮了“瞬時(shí)濕表面”的變化。在時(shí)域分析中，三體船傾斜后的回復(fù)力矩隨傾角的變化規(guī)律并不是線性的。

（2）在頻域分析中，該船的縱搖幅值均大于20°，而橫搖幅值均小于20°，對(duì)于縱搖幅值，其在150°時(shí)最大，在該船的實(shí)際航行過程中，要特別注意縱搖的影響，尤其是斜浪150°航行時(shí)。

（3）在改變片體布置的情況下，片體尾部與主體尾部距離增大，有助于改變縱搖的響應(yīng)幅值，在實(shí)際建造過程中可以將無人測(cè)量船片體布置適當(dāng)遠(yuǎn)離主體尾部，靠近船中附近，滿足無人船對(duì)耐波性的高要求，提高在航行中的安全性。

（4）本文尚未考慮片體和主船體距離對(duì)耐波性的影響。后續(xù)會(huì)繼續(xù)這方面的研究。

（5）根據(jù)本文的研究成果指導(dǎo)設(shè)計(jì)的三體無人船已經(jīng)下水，并參與了實(shí)際應(yīng)用，效果良好。

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