雙體船砰擊載荷數(shù)值仿真分析

，，

(中國船舶科學(xué)研究中心，江蘇 無錫 214082)

雙體船線型復(fù)雜，連接2個片體的連接橋底部較為平坦，且航速一般較高，在波浪航行時，連接橋底部、舷臺、立柱、片體底部會受到不同程度的砰擊，會對船體局部結(jié)構(gòu)構(gòu)成較大的威脅，因此，對雙體船的入水砰擊問題開展研究對于船體結(jié)構(gòu)設(shè)計具有重要的意義。目前對砰擊問題的研究主要包含數(shù)值計算與試驗的方法。數(shù)值計算方法主要包含動量理論[1-2]、擬合法[3]、邊界元法[4]及CFD方法[5-6]，試驗方法包括物體入水試驗[7-8]與模型波浪載荷試驗[9-10]?？紤]采用“2步走”的方法分析雙體船的砰擊壓力。首先計算得到砰擊瞬時船體與波浪之間的相對速度；再采用CFD的方法計算該相對速度條件下船體受到的砰擊壓力，分析雙體船砰擊載荷沿船長及高度方向的分布，并分析結(jié)構(gòu)彈性效應(yīng)對砰擊載荷的影響。

1 砰擊載荷

砰擊壓力與船體入水的速度平方呈正比[11]，即

p=kv2

(1)

求船舶砰擊壓力時，首先計算船舶在波浪中的運動響應(yīng)，求出砰擊瞬時船舶與波浪之間的相對速度，運用CFD方法求出砰擊壓力系數(shù)，利用砰擊壓力與入水速度的關(guān)系求出砰擊壓力。

1.1 基于FLUENT的砰擊壓力系數(shù)

基于FLUENT計算雙體船入水砰擊壓力系數(shù)，選取需要計算的船體剖面(見圖1)。

船體剖面縱向長度為1 m，在GAMBIT中建立船體入水模型，在入水模型中，測量點附近采用細(xì)網(wǎng)格，網(wǎng)格尺寸與濕甲板寬度的比值為1∶20，離測量點較遠(yuǎn)區(qū)域采用稀疏網(wǎng)格，網(wǎng)格尺寸與濕甲板寬度的比值為1∶7，見圖2。

流體域上表面定義為PRESSURE_OUTLET,其余各表面定義為剛性墻WALL,利用FLUENT中提供的宏命令DEFINE_CG_MOTION,定義船體入水速度。初始狀態(tài)下，距離船體底部1 m以下設(shè)置為水域，為靜水狀態(tài)，其余為空氣域，因為采用的是動網(wǎng)格技術(shù)，計算過程中，船體垂直入水，從船體底部開始到濕甲板依次入水發(fā)生砰擊。因為船體砰擊壓力與物體入水速度的平方成正比，砰擊壓力系數(shù)幾乎不隨入水速度的變化而變化[11]。故計算船體以10 m/s速度勻速進入到水中時受到的砰擊壓力，進而按照式(1)求出各測量點的砰擊壓力系數(shù)。

雙體船120#肋位P1205測量點壓力見圖3，1.122 3 s時砰擊壓力，見圖4。各剖面測量點砰擊壓力系數(shù)見表1。

表1 砰擊壓力系數(shù)

表1中“-”表示該點沒有明顯的砰擊發(fā)生。由計算結(jié)果可以看到，連接橋底部及浮體底部的砰擊壓力系數(shù)較大，舷臺的砰擊壓力系數(shù)次之，支柱體上的砰擊壓力系數(shù)最小。主要是因為連接橋底部的入水角較小，砰擊壓力系數(shù)較大，另外，內(nèi)側(cè)舷臺的砰擊壓力系數(shù)較外側(cè)舷臺的砰擊壓力系數(shù)大，支柱體內(nèi)側(cè)測量點的砰擊壓力系數(shù)較外側(cè)測量點的大，這主要是因為船舶兩個片體的存在，引起支柱體內(nèi)外流場不同造成的。從支柱體下端開始向上一直到濕甲板，砰擊壓力系數(shù)逐漸增大。P1206在砰擊發(fā)生瞬時壓力突然上升，然后下降，隨著時間的持續(xù)，壓力以某一斜率逐漸上升。這是因為砰擊過后這些點受到的壓力逐漸以靜壓為主，隨著入水深度的增加，所受到的壓力也逐漸增大。雙體船各肋位線型沿著船長方向，沒有太大變化，故認(rèn)為各個肋位相同位置處的砰擊壓力系數(shù)相同。

1.2 基于DYTRAN的砰擊壓力系數(shù)

分別建立濕甲板、舷臺及立柱的入水模型，計算結(jié)構(gòu)為剛體和彈性體時的砰擊壓力，并比較分析二者之間的差異。

1.2.1 結(jié)構(gòu)為剛體

結(jié)構(gòu)為剛體時，結(jié)構(gòu)單元材料選用Rigid(MATRIG)，空氣單元選用Ideal Gas(DMAT)，水單元選用LinFluid(DMAT)，見圖5，結(jié)構(gòu)入水模型上部分為空氣，下部分為水，內(nèi)部為小水線面雙體船結(jié)構(gòu)模型，將小水線面雙體船定義為流固耦合面，以實現(xiàn)結(jié)構(gòu)與流體的相互耦合作用。計算船體結(jié)構(gòu)以10 m/s的速度勻速進入到水中時，各測量點的砰擊壓力，進而求出各點的砰擊壓力系數(shù)。

1.2.2 結(jié)構(gòu)為彈性體

船體結(jié)構(gòu)單元材料選用Linear Elastic，空氣單元選用Ideal Gas(DMAT)，水單元選用LinFluid(DMAT)，計算船體結(jié)構(gòu)以10 m/s的速度勻速進入到水中時，各測量點的砰擊壓力，進而求出各點的砰擊壓力系數(shù)。

P1646測量點的砰擊壓力時歷曲線見圖6，各測量點的砰擊壓力系數(shù)見表2。

測量點FLUENTMSC.DYTRAN剛體彈性體P16410.730.710.25P16462.801.400.77P16471.491.170.58P16487.409.003.72

由計算結(jié)果可以看出，濕甲板和浮體底部的砰擊壓力系數(shù)較大，立柱部分的砰擊壓力系數(shù)較小，這主要是因為入水角的不同造成的，濕甲板和浮體底部較為平坦，砰擊壓力系數(shù)較大。由計算結(jié)果可以看出，當(dāng)結(jié)構(gòu)為剛體時，由FLUENT和DYTRAN計算得到的砰擊壓力系數(shù)較為接近。當(dāng)結(jié)構(gòu)為彈性體時，各點的砰擊壓力系數(shù)偏小，且砰擊壓力曲線振蕩的也比較嚴(yán)重，這主要是因為結(jié)構(gòu)的彈性減小了水對結(jié)構(gòu)的沖擊，在砰擊過程中，船體板、桁材、縱骨、肋骨等結(jié)構(gòu)會在其平衡位置上下振動，導(dǎo)致砰擊壓力也隨著振蕩。

2 砰擊壓力理論計算結(jié)果

2.1 計算工況

針對雙體船，選取3個計算工況(見表3)，均為規(guī)則波，采用Sesam軟件，計算各點發(fā)生砰擊瞬時的入水速度。

表3 計算工況

2.2 計算模型和結(jié)果

對雙體船和其流域進行三維建模，其三維計算模型見圖7。

船體測量點的靜吃水為d，則該點發(fā)生底部砰擊的數(shù)學(xué)表達(dá)式為

(2)

表4為各工況各測量點砰擊瞬時的入水速度及所受到的砰擊壓力?！?”表示該點沒有明顯的砰擊發(fā)生，“0”表示該點沒有發(fā)生砰擊。波高為6 m時，各肋位的連接橋與船舶底部都沒有砰擊發(fā)生；波高為9 m時，連接橋處有砰擊發(fā)生，但船舶底部依然不會發(fā)生砰擊；波高為14 m時，連接橋處及船舶底部都有砰擊發(fā)生。隨著浪高的增大，砰擊瞬時船舶入水速度也逐漸增大。連接橋底部及浮體底部的砰擊壓力較大，主要是因為這部分結(jié)構(gòu)平坦，砰擊壓力系數(shù)較大；支柱體內(nèi)側(cè)測量點的砰擊壓力較外側(cè)測量點的大，這主要是因為船舶兩個片體的存在，引起支柱體內(nèi)外流場不同造成的。

120#肋位各點入水速度隨距船體基線高度變化見圖8。隨著距基線高度的增大，入水速度先增大后減小，船體水線面處的測量點的入水速度最大。由于小水線面線型的特點，砰擊壓力隨距船體基線高度變化比較復(fù)雜，低海況條件下，濕甲板和船體底部不會發(fā)生砰擊，砰擊主要發(fā)生在船體支柱體和舷臺處；高海況條件下，濕甲板和船體底部會發(fā)生砰擊，砰擊壓力比支柱體和舷臺處的砰擊壓力大。舷臺、濕甲板處各測量點的砰擊瞬時船體與波浪之間相對速度及砰擊壓力沿船長縱向分布見圖9、10。

表4 各工況下各測量點砰擊瞬時的入水速度及砰擊壓力

由圖9、10可見，從船艉向船艏，入水速度和砰擊壓力基本上都是先減小，后逐漸增大，入水速度和砰擊壓力都是在船腫處最小，在船艏處最大。

3 結(jié)語

1)當(dāng)船體勻速進入到水中時，船體底部和濕甲板兩點的砰擊壓力系數(shù)最大，舷臺砰擊壓力系數(shù)次之，支柱體的砰擊壓力系數(shù)最小。當(dāng)船體結(jié)構(gòu)為剛體時，由FLUENT和MSC.DYTRAN計算出的砰擊壓力系數(shù)較為接近。

2)當(dāng)結(jié)構(gòu)為彈性體時，各點的砰擊壓力系數(shù)偏小，且砰擊壓力曲線振蕩的也比較嚴(yán)重，這主要是因為結(jié)構(gòu)的彈性減小了水對結(jié)構(gòu)的沖擊，在砰擊過程中，船體板、桁材、縱骨、肋骨等結(jié)構(gòu)會在其平衡位置上下振動，導(dǎo)致砰擊壓力也隨著振蕩。

3)波高為6 m時，各個肋位的連接橋與船舶底部都沒有砰擊發(fā)生；波高為9 m時，連接橋處有砰擊發(fā)生，但船舶底部依然不會發(fā)生砰擊；波高為14 m時，連接橋處及船舶底部都有砰擊發(fā)生，隨著浪高的增大，砰擊瞬時船舶入水速度也逐漸增大。

4)從船艉向船艏，入水速度和砰擊壓力基本上都是先減小，后逐漸增大，入水速度和砰擊壓力都是在船腫處最小，在船艏處最大。同一肋位測量點，隨著距基線高度的增大，入水速度都是先增大后減小，船體水線面處的測量點的入水速度最大。