雙體工程輔助船波浪載荷

王福新, 任苗苗, 劉益清

(1.武漢東喻專利代理事務(wù)所， 湖北 武漢 430074； 2.華中科技大學(xué) 專利中心， 湖北 武漢 430074；3.武漢理工大學(xué) 交通學(xué)院， 湖北 武漢 430063)

0 引 言

雙體船由于載荷狀態(tài)復(fù)雜，因此其在波浪中的載荷計(jì)算[1-4]比較困難。國內(nèi)外學(xué)者基于不同的假定和計(jì)算模型，各自提出有關(guān)雙體船載荷計(jì)算的近似方法有：美國的Scott方法、Disenbacher方法，蘇聯(lián)的伏羅洛夫方法，日本的Unzawa和Shimizu方法；國內(nèi)專家提出的相關(guān)簡化算法(如孔炳慶方法)[5]，毛筱菲[6]提出利用模型試驗(yàn)方法確定作用在雙體船連接橋結(jié)構(gòu)上的波浪誘導(dǎo)載荷，汪學(xué)良等[7]對雙體船波浪載荷測試技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)研究。

目前，雙體船包括普通雙體船、小水線面雙體船以及后來發(fā)展起來的穿浪雙體船。針對高速雙體船，CCS《小水線面雙體船指南》(2005)及《海上高速船入級與建造規(guī)范》(2012)對其波浪載荷計(jì)算有詳細(xì)的規(guī)定；針對內(nèi)河雙體船，CCS《鋼質(zhì)內(nèi)河船舶建造規(guī)范》(2009)對其載荷計(jì)算有詳細(xì)的規(guī)定；而對于海上航行(主要是沿海航區(qū))的中低速雙體船，CCS《國內(nèi)航行海船建造規(guī)范》(2012)及其2013、2014年修改通報(bào)雖沒有給出具體的規(guī)范公式，但指出應(yīng)基于波浪載荷直接計(jì)算或試驗(yàn)得到。因此，本文采用直接計(jì)算方法對雙體工程輔助船所承受的波浪載荷進(jìn)行預(yù)報(bào)。

1 計(jì)算模型的建立

預(yù)報(bào)雙體工程輔助船波浪載荷需要建立水動力模型和質(zhì)量模型。

1.1 船型資料

雙體工程輔助船主要用于沿海航區(qū)為一些工程船供應(yīng)貨物。船舶的主要尺度及參數(shù)如表1所示。

表1 船舶的主要尺度及參數(shù)

1.2 水動力模型

對雙體工程輔助船進(jìn)行波浪載荷計(jì)算時，采用的是基于三維繞射-輻射及Morison理論為基礎(chǔ)的WADAM程序[8]，因此需建立水動力面元模型。HydroD模塊的水動力模型如圖1所示。

圖1 HydroD模塊的水動力模型

1.3 質(zhì)量模型

質(zhì)量模型對船舶波浪載荷計(jì)算的精度至關(guān)重要。質(zhì)量模型和實(shí)船的質(zhì)量重心差別越小，波浪載荷計(jì)算精度就越高。為此，需要實(shí)際統(tǒng)計(jì)全船各部分質(zhì)量并按靜力等效原則得到全船質(zhì)量沿船長方向的分布，滿載出港工況下的質(zhì)量模型如圖2所示。

圖2 滿載工況質(zhì)量模型

2 水動力分析

波浪引起的船體載荷是隨機(jī)統(tǒng)計(jì)量，在校核雙體工程輔助船結(jié)構(gòu)強(qiáng)度時，需要根據(jù)沿海航區(qū)的波浪統(tǒng)計(jì)資料(P-M波浪譜和中國沿海波浪散布圖)，將其置于相應(yīng)的波浪環(huán)境中，計(jì)算其在波浪上的運(yùn)動和誘導(dǎo)載荷[9]。

2.1 浪向頻率和浪向

為充分研究雙體工程輔助船的水動力性能，計(jì)算時：選取頻率在0.20～1.80 rad/s范圍，步長為0.05 rad/s，共計(jì)32個遭遇頻率；選取13個浪向角，即在0°～180°之間，每間隔15°選取1個，等概率分布。沿船長方向共取9個剖面計(jì)算縱向波浪載荷；沿船寬方向共取5個剖面計(jì)算橫向波浪載荷。計(jì)算航速取零,即Fn=0。

2.2 傳遞函數(shù)結(jié)果及分析

本文應(yīng)用WADAM模塊計(jì)算雙體船的運(yùn)動和各主要載荷的傳遞函數(shù)，并應(yīng)用POSTRESP[8]模塊顯示傳遞函數(shù)的結(jié)果。

(1) 滿載出港工況下的船體垂蕩運(yùn)動在13個浪向上的傳遞函數(shù)如圖3所示。

圖3 滿載出港工況垂蕩運(yùn)動傳遞函數(shù)

(2) 滿載出港工況下船體橫向載荷傳遞函數(shù)如圖4所示。

(3) 滿載出港工況下船體縱向載荷傳遞函數(shù)如圖5所示。

圖4 滿載出港工況橫向載荷傳遞函數(shù)

為便于分析及后文計(jì)算規(guī)則波參數(shù)，表2總結(jié)了各響應(yīng)對應(yīng)的最不利波浪和傳遞函數(shù)的最大幅值。

圖5 滿載出港工況縱向載荷傳遞函數(shù)

表2 傳遞函數(shù)

雙體工程輔助船在波浪中航行，由于波浪的擾動會產(chǎn)生搖蕩運(yùn)動，其中對船體結(jié)構(gòu)安全影響最大的是垂蕩、縱搖和橫搖3個運(yùn)動分量。通過對3種工況下傳遞函數(shù)曲線和最不利傳遞函數(shù)最大幅值進(jìn)行分析，可知該雙體船的運(yùn)動響應(yīng)有以下幾個特點(diǎn)。

(1) 雙體工程輔助船的垂蕩運(yùn)動響應(yīng)在橫浪時達(dá)到最大，縱搖運(yùn)動響應(yīng)從橫浪到頂浪逐漸增大，橫搖運(yùn)動響應(yīng)在橫浪時達(dá)到最大。垂蕩、縱搖和橫搖運(yùn)動的傳遞函數(shù)最大響應(yīng)幅值大多出現(xiàn)在頻率為1.25～1.45 rad/s(波長大約在29.32～39.45 m)范圍，即當(dāng)船舶遭遇的波長與船長相近時，運(yùn)動響應(yīng)幅值最大。

(2) 通過比較分析，橫垂向彎矩響應(yīng)幅值大多在橫浪附近時達(dá)到最大，并且滿載出港工況下的響應(yīng)幅值最大、壓載到港工況下的響應(yīng)幅值最小，響應(yīng)峰值發(fā)生在波長船長比為0.84左右時?？v搖有關(guān)扭矩在艏(艉)斜浪時達(dá)到最大，滿載出港工況下的響應(yīng)幅值最大,壓載到港和滿載出港結(jié)冰工況下的響應(yīng)幅值比較接近。

(3) 縱向扭矩在艏斜浪附近時響應(yīng)幅值達(dá)到最大，壓載到港工況下的響應(yīng)幅值最大，滿載出港結(jié)冰工況下的響應(yīng)幅值最小。由此表明，雙體工程輔助船在壓載航行時的縱向扭轉(zhuǎn)較為嚴(yán)重。

2.3 波浪載荷的長期預(yù)報(bào)

根據(jù)規(guī)范要求及研究需要，該船在不規(guī)則波浪上的運(yùn)動和波浪載荷響應(yīng)及其短長期預(yù)報(bào)計(jì)算采用P-M波浪譜。

(1)

SESAM/POSTRESP模塊提供了2種波浪統(tǒng)計(jì)資料：世界范圍波浪散布圖(DNV-WW)和北大西洋波浪散布圖(DNV-NA)，分別用于疲勞強(qiáng)度分析(FLS)和極限強(qiáng)度分析(ULS)[10]，它們并不適用于中國沿海航行船舶波浪載荷的長期預(yù)報(bào)。因此，本文在計(jì)算時以中國沿海波浪散布圖[11]作為長期預(yù)報(bào)的參考海況，在POSTRESP模塊中建立新的波浪統(tǒng)計(jì)資料。

分別對截面104縱向扭矩、截面203橫垂向彎矩和縱搖有關(guān)扭矩進(jìn)行長期預(yù)報(bào)。為更加直觀地表述長期預(yù)報(bào)的結(jié)果，POSTRESP模塊將長期預(yù)報(bào)結(jié)果以圖片的形式顯示出來。限于篇幅，此處僅列出滿載裝載工況下各主要載荷參數(shù)的長期預(yù)報(bào)曲線、各主要載荷參數(shù)的長期預(yù)報(bào)值在超越概率下和不同浪向上的分布，如圖6、圖7所示。

圖6 LC1截面104縱向扭矩長期預(yù)報(bào)曲線

為便于分析，本文總結(jié)了滿載工況下各主要控制載荷二十年一遇、二十五年一遇、三十年一遇及一百年一遇預(yù)報(bào)極值及其在超越概率下的預(yù)報(bào)值，如表3所示。

圖7 LC1縱向扭矩長期預(yù)報(bào)值在不同浪向上的分布

表3 LC1給定超越概率下的長期預(yù)報(bào)值 106 N·m

從長期預(yù)報(bào)的結(jié)果可以總結(jié)出以下結(jié)論：

(1) 從表3可以看出，主要控制載荷參數(shù)二十年、二十五年及三十年一遇的預(yù)報(bào)極值在數(shù)值上很接近，結(jié)合規(guī)范要求，本文選取二十年一遇(超越概率為10-8)的預(yù)報(bào)極值來推導(dǎo)設(shè)計(jì)波參數(shù)。

(2) 3種工況下截面203垂向彎矩的長期預(yù)報(bào)值在不同浪向上的分布表現(xiàn)為雙峰形式，極大值集中出現(xiàn)在連接橋與片體連接處，該處的結(jié)構(gòu)形式在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中要引起足夠的重視。

2.4 設(shè)計(jì)波參數(shù)的確定

(1) 設(shè)計(jì)波波幅計(jì)算式為

(2)

式中：aW為設(shè)計(jì)波波幅；Aj為主要載荷參數(shù)的極值；Lj為主要載荷參數(shù)的長期預(yù)報(bào)值，概率水平取10-8(代表設(shè)計(jì)壽命至少為20年)；j為主要載荷控制參數(shù)編號。

(2) 設(shè)計(jì)波波長計(jì)算式為

(3)

式中：λ為設(shè)計(jì)波的波長，m；g為重力加速度；ωa為主要載荷控制參數(shù)極值對應(yīng)的波浪頻率，rad/s。

(3) 設(shè)計(jì)波的頻率等于主要載荷控制參數(shù)極值對應(yīng)的波浪頻率ωa。

(4) 設(shè)計(jì)波的浪向等于主要載荷控制參數(shù)極值對應(yīng)的浪向角β。

(5) 設(shè)計(jì)波的相位等于主要載荷控制參數(shù)極值對應(yīng)的相位角εj。

根據(jù)以上設(shè)計(jì)波參數(shù)計(jì)算公式，確定滿載工況對應(yīng)的設(shè)計(jì)波參數(shù)，如表4所示。

表4 LC1設(shè)計(jì)波參數(shù)

3 結(jié)論與建議

綜合分析，從雙體工程輔助船結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、駕駛及其理論研究等角度提出了建議與對策。

(1) 通過比較分析可知：雙體工程輔助船的垂蕩運(yùn)動響應(yīng)在橫浪時達(dá)到最大,縱搖運(yùn)動響應(yīng)從橫浪到頂浪逐漸增大,橫搖運(yùn)動響應(yīng)在橫浪時達(dá)到最大。通過長期預(yù)報(bào)可知，滿載出港工況下截面203垂向彎矩的長期預(yù)報(bào)值在不同浪向上的分布表現(xiàn)為雙峰形式，極大值集中出現(xiàn)在連接橋與片體連接處，該處的結(jié)構(gòu)形式在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中要予以加強(qiáng)，比如加強(qiáng)結(jié)構(gòu)尺寸或單獨(dú)設(shè)置加強(qiáng)結(jié)構(gòu)，并對該處的結(jié)構(gòu)受力情況進(jìn)行校核，確保其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足要求。

(2) 橫垂向彎矩響應(yīng)幅值大多在橫浪附近時達(dá)到最大，并且滿載出港工況下的響應(yīng)幅值最大、壓載到港工況下的響應(yīng)幅值最小，響應(yīng)峰值發(fā)生在波長船長比為0.84左右時?？v搖有關(guān)扭矩在艏(艉)斜浪時達(dá)到最大，滿載出港工況下的響應(yīng)幅值最大、壓載到港和滿載出港結(jié)冰工況下的響應(yīng)幅值比較接近。建議在駕駛過程中，尤其是滿載出港工況下注意盡量避免雙體工程輔助船斜浪航行，以減小船舶在艏(艉)斜浪時的縱搖扭矩，保證船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不受損壞。

(3) 縱向扭矩在艏斜浪附近時響應(yīng)幅值達(dá)到最大，壓載到港工況下的響應(yīng)幅值最大，滿載出港結(jié)冰工況下的響應(yīng)幅值最小。由此表明，雙體工程輔助船在壓載航行時的縱向扭轉(zhuǎn)較為嚴(yán)重。因此，建議在船舶駕駛過程中避免艏斜浪航行以減小船體結(jié)構(gòu)的縱向扭矩，避免船體縱向結(jié)構(gòu)尤其是連接處結(jié)構(gòu)受到損壞。