5000噸級公務(wù)船波浪載荷預(yù)報(bào)與分析

宋揚(yáng) 劉亞東

摘 要：以兩型5000噸級公務(wù)船為例，介紹了波浪載荷預(yù)報(bào)的方法和原理，并通過直接計(jì)算得到兩型船的垂向波浪彎矩、剪力長期預(yù)報(bào)值，再將波浪載荷預(yù)報(bào)值與中國船級社規(guī)范值進(jìn)行對比分析，探究波浪載荷預(yù)報(bào)對中大型公務(wù)船總縱強(qiáng)度的影響，為后續(xù)類似船型開發(fā)設(shè)計(jì)提供參考。

關(guān)鍵詞：波浪載荷預(yù)報(bào);公務(wù)船;總縱強(qiáng)度

中圖分類號：U662? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1006—7973（2021）01-0148-03

隨著海洋戰(zhàn)略的實(shí)施，近年來我國投資興建了一系列公務(wù)船，功能多樣、種類齊全，極大地增強(qiáng)了維護(hù)國家海洋權(quán)益的實(shí)力。隨著公務(wù)船大型化的發(fā)展、使命任務(wù)的增加以及船體輕量化的要求，公務(wù)船的總縱強(qiáng)度成為設(shè)計(jì)過程中需要重點(diǎn)關(guān)注的方面。

中國船級社（后簡稱CCS）《鋼制海船入級規(guī)范》在船體總縱強(qiáng)度部分明確規(guī)定對于具有表1所列一個(gè)或多個(gè)特征的船舶，應(yīng)采用直接計(jì)算的方法確定該船的波浪載荷。

受使命任務(wù)限制，部分公務(wù)船滿足波浪載荷直接計(jì)算的特征，需進(jìn)行波浪載荷預(yù)報(bào)，該文以兩型5000噸級公務(wù)船為例，其主尺度如表2所列，探究波浪載荷預(yù)報(bào)對中大型公務(wù)船總縱強(qiáng)度的影響。

1計(jì)算原理

建立船體的三維濕表面模型和質(zhì)量模型，按照三維繞輻射勢流理論，計(jì)算作用在船體上的流體動力，獲得波浪誘導(dǎo)的船體剖面剪力和彎矩載荷響應(yīng)的傳遞函數(shù)。再通過短期預(yù)報(bào)和長期預(yù)報(bào)，得到船體波浪剪力和彎矩的設(shè)計(jì)值，為目標(biāo)船的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和強(qiáng)度校核提供參考依據(jù)。

1.1計(jì)算參數(shù)

1.1.1規(guī)則波響應(yīng)計(jì)算參數(shù)

（1）波浪頻率：0.1-2.5rad/s，以0.05 rad/s為間隔;

（2）浪向：0-180°，以15°為間隔;

（3）航速：0 kn;

（4）水深：無限水深。

1.1.2長期預(yù)報(bào)計(jì)算參數(shù)

（1）概率水平：10-8 ;

（2）波浪譜：海浪譜選用P-M譜，如公式1所示，

其中，Hs表示有義波高，Tz表示平均跨零周期。

（3）海浪散布圖：按照CCS《鋼質(zhì)海船入級規(guī)范》2018要求選取北大西洋波浪散布圖，如圖1所示。

1.2 三維水動力模型

采用挪威船級社開發(fā)的通用軟件HydroD（WADAM）/POSTRESP，根據(jù)兩條船的型線分別建立A船、B船的三維濕表面模型，具體如圖2、圖3所示，形狀變化較大區(qū)域的網(wǎng)格進(jìn)行適當(dāng)加密。

全船的質(zhì)量分布通過質(zhì)量點(diǎn)來模擬，采用簡化的質(zhì)量模型，即每個(gè)肋位的質(zhì)量等價(jià)于左右舷兩個(gè)質(zhì)量點(diǎn)和連接兩質(zhì)量點(diǎn)的零質(zhì)量棒，質(zhì)量點(diǎn)的垂向位置為對應(yīng)工況的全船重心高度，零質(zhì)量棒的長度為對應(yīng)工況的橫搖慣性半徑的兩倍。

1.3傳遞函數(shù)

傳遞函數(shù)是指船體在單位波幅的規(guī)則波作用下的響應(yīng)。船體響應(yīng)包括船體六個(gè)自由度的運(yùn)動（縱蕩、橫蕩、升沉、橫搖、縱搖和首搖），波浪作用在船體外殼上的波動壓力，波浪誘導(dǎo)的剖面載荷（波浪彎矩、剪力或扭矩等）以及由于船體運(yùn)動引起的慣性力和加速度等。

船體重心處運(yùn)動響應(yīng)的傳遞函數(shù)通過求解規(guī)則波中的船體運(yùn)動方程獲得，之后可以按照達(dá)朗伯原理進(jìn)一步計(jì)算船體剖面載荷響應(yīng)的傳遞函數(shù)。

2波浪載荷預(yù)報(bào)

在獲得船體剖面載荷響應(yīng)的傳遞函數(shù)后，即可結(jié)合短期海況的海浪譜計(jì)算其響應(yīng)譜，大量的實(shí)踐表明，船體運(yùn)動與波浪載荷幅值的短期響應(yīng)服從Rayleigh分布，這樣便可獲得船體剖面載荷響應(yīng)短期預(yù)報(bào)的各種統(tǒng)計(jì)值，包括均值、有義值、十一值等。而船體剖面載荷響應(yīng)的長期分布由各響應(yīng)的短期分布擬合求得，最終獲得指定超越概率水平的波浪載荷響應(yīng)的長期極值。

選取滿載出港和壓載到港兩種典型裝載工況進(jìn)行長期預(yù)報(bào)，得到A、B兩船沿船長分布的垂向波浪剪力和垂向波浪彎矩，如圖4～圖7所示。

由圖4～圖7的對比中可知兩型5000噸級公務(wù)船在垂向波浪彎矩、剪力的分布上具有高度的相似性，并可獲得兩種典型工況下船中0.4L至0.6L區(qū)域的垂向波浪彎矩峰值以及首尾區(qū)域的兩個(gè)垂向波浪剪力峰值，如表3所示。

通過線性波浪理論直接計(jì)算得到的波浪載荷是線性的，需要按照CCS規(guī)范要求進(jìn)行非線性修正，從而得到中拱、中垂?fàn)顟B(tài)下的波浪彎矩以及波浪剪力，再將修正后的波浪載荷預(yù)報(bào)結(jié)果與通過CCS規(guī)范公式計(jì)算得到的波浪彎矩、剪力峰值進(jìn)行對比，如表4所示。

由表4可知：

（1）波浪載荷預(yù)報(bào)對兩型船波浪彎矩的影響不同，A船增加約20%，B船幾乎無影響;

（2）兩型船波浪載荷預(yù)報(bào)得到的波浪剪力值都大幅增加，A船增加約62%，B船增加約40%。

3 結(jié)論

通過對兩型5000噸級公務(wù)船進(jìn)行波浪載荷預(yù)報(bào)和對比分析可以得出以下結(jié)論：

波浪載荷預(yù)報(bào)結(jié)果和船型主尺度相關(guān)，對短而寬且型深較大的A船影響更大，垂向波浪彎矩和剪力都大幅增加，對長而窄的B船僅影響垂向波浪剪力;

由于船體結(jié)構(gòu)輕量化的要求，中大型公務(wù)船總縱強(qiáng)度裕度越來越小，對于滿足波浪載荷直接計(jì)算特征的公務(wù)船，在前期設(shè)計(jì)階段須考慮其對總縱強(qiáng)度的影響，避免后期方案修改，兩型船波浪載荷預(yù)報(bào)結(jié)果可供后續(xù)類似船型參考。

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