基于AQWA的某大型船舶耐波性響應分析*

黃黎慧 侯遠杭

(1.武漢交通職業(yè)學院，湖北 武漢 430065； 2.大連海事大學，遼寧 大連 116026)

船舶耐波性是船舶在波浪中運動特性的統(tǒng)稱，它包括船舶在波浪中所產生的各種搖蕩運動以及這些運動引起的抨擊、飛濺、上浪、失速、螺旋槳飛車和波浪彎矩變化等性能，直接影響船舶在風浪作用下維持其正常功能的能力，歷來是船舶及其他海洋結構物的設計和使用者十分關心的問題。本設計船為大型軍船，耐波性對其作戰(zhàn)性能更為至關重要，特別是對飛行甲板上艦載機起降的影響，因此，需要準確地計算出設計船各自由度運動響應幅值并將其控制在合理的范圍內。

AQWA軟件主要用于計算船舶與海洋工程的水動力性能問題?？梢越鉀Q浮體在環(huán)境載荷作用下的系泊定位、運動響應、海上安裝作業(yè)、波浪載荷傳遞以及船舶航行等方面的問題[1]。其擁有以下特點：

(1)可以計算任意水深；

(2)在計算浮體的波浪力時，可以同時考慮波浪的衍射、輻射和淺水效應；

(3)可對浮體結構進行初步設計；

(4)具有時域非線性分析模塊；

(5)具有頻域線性分析模塊；

(6)考慮多個浮體結構通過纜繩連接時，計算浮體結構的平衡位置；

(7)傳遞壓力和速度結果到ANSYS或ASAS進行結構響應分析。

AQWA具備多樣化的能力和良好的計算精度，基于AQWA的水動力計算可通過經典AQWA界面或者ANSYS Workbench界面實現(xiàn)，因此，本文將通過AQWA的Workbench界面來對本設計船進行水動力計算。

1 模型的建立

1.1 設計船主要參數(shù)

表1 本設計船主尺度信息

1.2 模型的導入

由于本設計船模型已經在Maxsurf中建立，如圖1所示。因此，可直接通過igs格式進行模型文件導出，但由于導出的模型不是實體，在Workbench中進行實體化操作較為復雜且容易出現(xiàn)各種錯誤，文章將導出的igs格式模型文件導入CATIA中，通過CATIA實體化后，再導入Workbench，從而生成設計船的模型。

圖1 Maxsurf 中建立的模型

在導入的模型中，通過選擇艉封板、甲板封板和船體兩側的外表面，對其進行法線方向的調整，保證法線方向正確。對模型進行船體水線切割，由于模型向Z負向移動，吃水為負數(shù)，因此設置吃水為-9.91 m，如圖2所示。進行水線切割處理的好處是避免出現(xiàn)跨水線的計算單元，因為跨水線的單元在AQWA中是無法正常計算的[2]。

圖2 切割之后的船體模型

2 水動力計算與結果處理

2.1 參數(shù)設置

在進行計算前，需要設置全局變量與浮體質量信息、網格設置與劃分、水動力計算參數(shù)設置以及模型檢查。

(1)設置全局變量與浮體質量，包括船體的質量、重心位置、浮體慣性矩等。本設計船的排水量為65263 t，則船體質量設為65263 t；重心位置相對于基線面為12.5725 m，則Z值為2.6625 m；重量分布關于中縱剖面對稱，因此，重心橫向坐標為0 m，而重心縱向坐標Xg(相對于艉垂線)可以認為和船長成正比，其計算公式[3]如下：

Xg=λL

(1)

式中，λ取自母型船，λ=0.49；L為船體長度；Xg為重心縱向位置坐標。

根據(jù)式(1)，計算可得Xg為143.962 m。

慣性半徑Kxx、Kyy、Kzz可通過經驗公式估算，經驗公式如下：

Kxx=0.35B

(2)

Kyy=0.25L

(3)

Kzz=0.25L

(4)

根據(jù)上式(2)(3)(4)，計算可得Kxx=12.53 m、Kyy=73.5 m、Kzz=73.5 m。

將以上數(shù)值添加到質量重心參數(shù)設置表中，如圖3所示。

(2)網格劃分。設置網格大小為2 m，生成網格，如圖4所示。

(3)水動力計算參數(shù)設置(如圖5所示)。取15°為一個間隔，共計算23個波浪方向，最小波浪頻率f根據(jù)經驗公式估算[4]:

圖3 質量點定義

圖4 網格劃分

圖5 選擇計算的波浪方向及波浪周期

(5)

式中，g為重力加速度，d為水深。根據(jù)式(5)計算，可得f=0.0175 Hz，周期p=57.1428 s，但AQWA的水動力計算周期涵蓋波浪的主要能量范圍為5～30 s，而對于常規(guī)結構物的浮體，該處可設置為31.4 s。

(4)模型檢查。對模型進行靜水力計算，將計算結果(如圖6所示)與已有的靜水力表(表2)做對比，如圖6中本設計船的重心坐標Zg=2.662499(相對于水面)，與表中計算結果一致；排水體積為63772.805 m3，換算為排水量為65367.125 t,而本設計船的設計排水量為65263 t，兩者相差較??；初穩(wěn)性高GM=3.2324715 m，表中估算的初穩(wěn)性高為2.8024，兩者誤差在合理范圍內，并且該初穩(wěn)性高滿足本船型初穩(wěn)性高[5]的范圍。由此可知，本設計船的靜水力計算結果較為準確，該模型可以用于水動力計算。

圖6 AQWA靜水力計算結果

2.2橫搖運動結果分析

對模型進行水動力計算，查看90°浪向下的橫搖RAO計算結果，如圖7所示。

表2 靜水力計算表

圖7 90°浪向作用下的橫搖RAO

從圖中可發(fā)現(xiàn)，90°浪向作用下船體橫搖RAO幅值達到了8.426 (°)/m，根據(jù)本設計船型部分耐波性要求[6]可知，橫搖幅值偏大，需要對船體進行橫搖運動方向的黏性阻尼修正。剛體單自由度運動時的臨界阻尼[4]為

(6)

式中，Ixx為橫搖方向慣性質量，ΔIxx為附加質量慣性質量，KRoll為橫搖方向剛度。

本船Ixx=(1.024E+10) kg·m2，KRoll=(3.617E+07) N·m/(°)，橫搖固有周期取18 s，讀取18 s附近的ΔIxx=(4.981E+07) kg·m2，則根據(jù)式(6)可得到D=(1.22E+09) kg·m2/s。

經過換算，D=(1.22E+09)×π÷180=(2.128E+07) N·m/(°)/s。而本設計船的飛行甲板上需要起降艦載機，相較于其他種類的船，其對于耐波性的要求更為嚴格，并且本設計船具有較大的型深，因此，需要加載較大的橫搖方向的阻尼才能保證耐波性滿足要求，這里將橫搖阻尼定為臨界阻尼的0.8倍，即(1.7024E+07) N·m/(°)/s。添加阻尼系數(shù)，重新進行水動力計算，查看90°波浪作用下的橫搖運動RAO結果，如圖8所示?？捎^察到此時的橫搖峰值為2.427 (°)/m，位于本設計船型要求的橫搖舒適極限和作業(yè)極限之間[6]，較為合理。

3 給定海況下頻域運動分析

3.1 參數(shù)設置

在以上水動力計算幾何模型和水動力計算結果的基礎上，本文對設計船做進一步的分析。設定海況條件參數(shù)如表3所示。

表3 海況條件參數(shù)

由于沒有系泊系統(tǒng)，無需考慮低頻載荷的影響，僅考慮船體在波浪作用下的波頻運動，本模型中沒有莫里森單元，所以莫里森黏性力線性化設為No。

3.2 頻域分析與結果處理

插入不規(guī)則波，波浪譜為JONSWAP譜，具體參數(shù)如表3所示；將波浪方向設置為0°，45°，90°，135°，180°，分別進行計算，即可得到不同波浪方向下的計算結果。如表4所示。

將計算結果與本設計船作業(yè)要求值對比，如表5所示，可知本設計船的重心位置運動響應值在合理范圍內。

輸出90°波浪譜曲線，如圖9所示，與90°浪橫搖RAO曲線(圖8)對比，可以發(fā)現(xiàn)波浪的主要能量范圍為0.555～3.75 Hz，而本設計船橫搖響應范圍為0.032～0.401 Hz，故在給定海況條件下90°浪向下船舶橫搖運動較為溫和。

圖8 阻尼修正后的90°浪向橫搖RAO

表4 給定海況下船體重心運動響應值表a) 給定海況下(0°浪向)船體重心運動響應值

表b) 給定海況下(45°浪向)船體重心運動響應值

表c) 給定海況下(90°浪向)船體重心運動響應值

表d) 給定海況下(135°浪向)船體重心運動響應值

表e) 給定海況下(180°浪向)船體重心運動響應值

4 結語

本文利用AQWA詳細地展示了某大型船舶水動力分析的過程及思路，計算結果表明，在給定海況條件下，本設計船耐波性能良好，完全滿足飛行甲板上各類艦載機起降作業(yè)要求。同時，通過上述分析可以看出，AQWA作為一款成熟的海洋工程水動力分析軟件，在進行本船型計算時，具有操作難度低、精度高的優(yōu)勢。在未來的工作中，還可借助AQWA對本設計船進行時域分析和系泊分析，對其靠港停泊進行模擬，分析相關參數(shù)，解決其靠港停泊時遇到的各類問題。

表5 本設計船型作業(yè)要求值[4]與計算值對比

圖9 90°波浪譜曲線