雙體甲板運輸船波浪載荷

吳俊濤

（北海啟航船舶設計有限公司，廣西北海 536000）

0 引言

雙體船因具有寬大的甲板面積、良好的阻力性能及穩(wěn)性而備受歡迎。然而，雙體船在船體結構的設計、強度校核以及波浪載荷預報方面給設計者帶來了諸多挑戰(zhàn)。通常，雙體船兩側(cè)的片體通過中間的連接橋加以連接而形成一個整體，而營運過程中在連接橋以及片體的甲板面上均裝載貨物，連接橋承受較大的波浪扭矩和橫向波浪彎矩作用。因此，雙體船連接橋的波浪載荷計算是雙體船設計的核心內(nèi)容之一。而然，相比于設計較為成熟的高速雙體船而言，雙體甲板運輸船則為低速雙體船（尤其是尺度較大的低速雙體船），其設計方法還未成熟。

目前，中國船級社發(fā)布的《國內(nèi)航行海船建造規(guī)范》[1]中并未給出關于船長大于60 m的低速雙體船波浪載荷計算的具體方法。以往是參照《海上高速船入級與建造規(guī)范》[2]中關于高速雙體船的規(guī)范公式來計算的，但這顯然不合適。對于低速雙體船而言，需要有一套適用于其自身特點的波浪載荷計算方法，這樣才能全面地計算其載荷大小并評估船體的結構強度。本文以某67.2 m雙體甲板運輸船為例，使用DNV GL的SESAM軟件對其波浪載荷進行直接計算分析，并對比分析采用“規(guī)范方法”與“直接計算方法”得到的波浪載荷值，為低速雙體船的波浪載荷計算提供參考與指導。

1 船體參數(shù)

67.2 m雙體甲板運輸船船體主要參數(shù)見表1。

表1 船體主要參數(shù)

一般而言，B/D不宜超過2.5，本船的B/D為5.533，說明還需重點關注船體的橫向強度。此外，就雙體船的結構特點而言，連接橋結構會受到較大的波浪扭矩和橫向波浪彎矩作用，因此需要重點關注橫向載荷的計算。其次，本船的L/D為 21.33，而常規(guī)船舶的L/D一般控制在 15以內(nèi)。因此，縱向波浪彎矩也是本船需要重點考察的內(nèi)容。

2 波浪載荷的直接計算方法

雙體船的波浪載荷計算內(nèi)容主要包括：縱向波浪彎矩、波浪扭矩和橫向波浪彎矩。波浪載荷的直接計算是基于三維線性勢流理論進行的[3]。首先，采用水動力分析軟件SESAM的GeniE模塊建立船舶的外殼模型和各載況下的質(zhì)量模型。其次，在SESAM的HydroD模塊中導入外殼模型生成水動力模型，并附加各載況下的質(zhì)量模型，計算船體在單位波幅規(guī)則波中的水動力響應。最后，在SESAM的Postresp模塊中根據(jù)船舶航行區(qū)域的波浪散布圖采用統(tǒng)計的方法得出船舶的各向波浪載荷計算值[5-6]。

2.1 水動力模型的建立

將 GeniE模塊中建立的船體外殼模型導入HydroD中即可生成水動力模型（Panel模型），設定吃水后程序則自動將水線以下的外板單元定義為濕表面。坐標系統(tǒng)采用右手坐標系，原點位于 Fr0船底中線處，在x軸向船首為正方向，y軸向左舷為正方向，z軸向上為正方向，GeniE和HydroD環(huán)境下的Panel模型如圖1和圖2所示。

圖1 GeniE環(huán)境下的Panel模型（一半）

圖2 HydroD環(huán)境下的Panel模型

2.2 質(zhì)量模型的建立

根據(jù)穩(wěn)性計算書可知每種裝載工況下的重量分布，采用SESAM/GeniE，分別建立了相應的質(zhì)量模型。根據(jù)重量分布資料，質(zhì)量模型是以質(zhì)量棒的形式加在船體重心所在水平面上的，按照其重量分布，將該船的重量分布在船長上。本文建立了14種裝載工況的質(zhì)量（mass）模型，其中工況1～10的貨物在船寬方向均勻分布，見圖3；工況11～12的貨物只分布于連接橋上，見圖4；工況13～14的貨物只分布于片體上并呈對角布置，見圖5。

圖3 工況1～10質(zhì)量模型示意圖

圖4 工況11～12質(zhì)量模型示意圖

圖5 工況13～14質(zhì)量模型示意圖

2.3 計算工況及波浪載荷的短期預報方法

根據(jù)本船的裝載情況，計算選取了14個工況，見表 2。該計算的目標為船體縱向波浪彎矩、橫向波浪彎矩及波浪扭矩。因此，對應選取船體橫剖面上（平行于YZ面）的繞y軸彎矩、船體縱剖面上（平行于XZ面）的繞x軸彎矩及繞y軸彎矩作為主要載荷控制參數(shù)。計算工況見表 2，各參考截面見圖6和圖7。

圖6 參考橫剖面

圖7 參考縱剖面

表2 計算工況

基于上述主要載荷控制參數(shù)，在HydroD模塊中計算船體在單位波幅的規(guī)則波中的水動力響應（即短期預報）。在短期預報中，所選規(guī)則波的波浪頻率范圍為0.5 rad/s～2.3 rad/s，步長取0.05，共選取37個頻率；0°～180°內(nèi)共選取了13個浪向角，間隔15°，見圖8。

圖8 浪向角

2.4 波浪載荷的長期預報

長期預報即在短期預報的基礎上，結合波浪散布數(shù)據(jù)采用統(tǒng)計的方法，得到主要載荷控制參數(shù)的長期預報值。在長期預報中，認為所選取的13個浪向角等概率出現(xiàn)，且波浪譜采用常用的P-M譜[1]，見式（1）。

計算時以中國沿海區(qū)域的波浪散布數(shù)據(jù)建立波浪統(tǒng)計資料[4]。長期預報結果為 10-8，超越概率水平下的船體縱向波浪彎矩、橫向波浪彎矩及波浪扭矩。各計算結果見圖9、表3和表4。

由計算結果可知，縱向波浪彎矩的最大值為4.727×107N·m，出現(xiàn)在LC5工況時，位置在中橫剖面附近；橫向波浪彎矩的最大值為4.828×106N·m，出現(xiàn)在LC9工況（貨物置于連接橋）時，位置在中縱剖面處；波浪扭矩的最大值為4.691×107N·m，出現(xiàn)在LC5工況時，位置在連接橋與片體連接處。

3 波浪載荷的規(guī)范計算及比較

《海上高速船入級與建造規(guī)范》中給出了高速雙體船波浪載荷的規(guī)范計算公式。參照該方法，《國內(nèi)航行海船建造規(guī)范》給出了船長小于60 m且主尺度滿足規(guī)范要求的低速雙體船橫向波浪彎矩和波浪扭矩的規(guī)范計算公式。采用規(guī)范公式來計算該船的橫向波浪彎矩和波浪扭矩，并比較規(guī)范計算值與直接計算值的差別。

圖9 各工況縱向波浪彎矩沿船長分布

表3 各工況橫向波浪彎矩（單位：N·m）

表4 各工況波浪扭矩（單位：N·m）

橫向波浪彎矩Mbx按式（2）計算[1]。

波浪扭矩Mty按式（3）計算

計算結果可知，橫向波浪彎矩的規(guī)范計算值嚴重失真，出現(xiàn)了負值；而波浪扭矩的規(guī)范計算值則約為直接計算值的1.4倍。這二者均不能作為結構設計及強度校核的依據(jù)。

由式（2）和式（3）中參數(shù)C1和C2的表達式分析可知，該船由于型深D偏小，導致參數(shù)C1變成了負數(shù)，同時由于型寬B偏大，導致參數(shù)C2接近為 1，由此造成了橫向波浪彎矩規(guī)范計算值的失真。對于波浪扭矩Mty，本船船長略大于60 m，按規(guī)范公式計算得到的結果卻約為直接計算值的 1.4倍。由此可見，規(guī)范公式的適用范圍偏小，對船舶的主尺度比要求嚴格，而直接計算法適用于任何船型，并且能準確地反應出船體的載荷情況。

4 結論

1）低速雙體船波浪載荷的計算原理與高速雙體船間具有較大區(qū)別，前者為排水型船舶，波浪載荷多以水動壓力的形式表現(xiàn)；后者屬于非排水型船舶，波浪載荷多以波浪沖擊力的形式表現(xiàn)。

2）波浪載荷計算方法中，規(guī)范方法的適用范圍偏小，對船舶的主尺度比要求嚴格，公式的使用具有較大的局限性。對于低速雙體船，尤其是尺度較大的低速雙體船，須依靠直接計算方法才能全面準確地分析其波浪載荷的大小。

3）波浪載荷的直接計算基于勢流理論，各載荷的計算值是在短期預報的基礎上結合船舶實際航行海域的波浪散布資料，并通過統(tǒng)計的方法得到，結果準確度高，對開展結構設計及強度校核具有重要的指導意義。