嚴新平，李志雄，劉正林，楊 平，朱漢華，楊忠民

（1武漢理工大學，武漢430063；2船舶動力工程技術(shù)交通行業(yè)重點實驗室，武漢430063；3中國船級社上海規(guī)范研究所，上海200135）

1 引 言

近年來，為了提高船舶運輸效率，發(fā)揮船舶規(guī)模運輸?shù)慕?jīng)濟優(yōu)勢，大型/超大型船舶數(shù)量占世界遠洋船舶總量的比例越來越大，船舶向大型化發(fā)展越來越迅速[1]。船舶大型化發(fā)展既是國內(nèi)外海洋運輸經(jīng)濟發(fā)展的迫切需要的結(jié)果，也是前沿的船舶基礎(chǔ)理論和先進的船舶建造技術(shù)支持的產(chǎn)物。從中國船級社2009年年報[1]統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，僅2009年一年時間里就有30 000DWT的VLCC、298 000DWT的VLOC、147 000 m3的LNG船和8 530 TEU的集裝箱船等不同類型大型船舶40余艘通過船舶檢驗而交付使用。船舶大型化的特征不僅僅體現(xiàn)在總噸位、總功率和船舶尺寸的數(shù)據(jù)不斷出現(xiàn)新紀錄上，而且也體現(xiàn)在船舶的內(nèi)在屬性上，其航行性能不斷提升，運輸經(jīng)濟性明顯提高。近年來在新建造下水并投入營運的各類大型/超大型船舶中，超大型集裝箱船（ULCS）單船運載集裝箱的容載能力達到10 000-12 000 TEU，甚至達到了18 000 TEU，船長超過300 m，推進功率達到100 000 kW，航行速度達25 kns左右；而20世紀70年代第一代集裝箱船的載運能力僅為750-1 500TEU，船長不到200 m，推進功率為1 000-5 000 kW，航行速度達20 kns左右。大型/超大型油船（VLCC/ULCC）的發(fā)展也表現(xiàn)出了相同的特點。可見，大型船舶的船體和動力推進系統(tǒng)的多項數(shù)據(jù)超出了以往同類型船舶的原有數(shù)據(jù)的若干倍，但其推進效率在保持航速不下降的條件下提高了3%-8%，更高的可達10%。

然而大型/超大型船舶出現(xiàn)的故障以及故障造成的損失不可忽視，據(jù)報道，由于大型/超大型船舶的船體變形引起推進軸系對中性失效，導致主機曲軸斷裂、軸系振動劇烈和尾軸變形與密封破壞等惡性事故愈發(fā)嚴重，愈發(fā)突出[2-3]。船體變形能夠加速軸系聯(lián)結(jié)法蘭螺栓斷裂，導致推進系統(tǒng)失效，船舶操縱失控[4]；船體變形使軸系失中，有的船舶在試航幾小時就發(fā)現(xiàn)前尾軸承與前密封失效，或后尾軸承燒熔；有的船舶僅運行6個月就出現(xiàn)后尾軸承損壞[5]。這些小的故障一旦處理不善，可能會導致大的災難。例如2008年載有747名乘客和船員的菲律賓客輪“群星王子”號由于遭遇狂風巨浪致使主機完全失效，客輪沉沒，僅有42人獲救；2009年8月，船長278.21 m的香港籍空載散貨輪“PACIFIC NAVI”（寶航）號由于機械失靈造成船舶失控，與“水陽江588”輪發(fā)生碰撞，造成巨大經(jīng)濟損失。根據(jù)瑞士著名船舶保險公司Swedish Club[6]對1998-2004年船舶理賠事故統(tǒng)計報告可見（圖1所示），船舶航行中由于機械故障造成的事故占總理賠事故的45%；而在機械故障當中推進動力系統(tǒng)（主機+推進軸系）的故障率占52.9%（表1所示）。

圖1 瑞典船舶保險公司對1998-2004年船舶理賠事故的統(tǒng)計結(jié)果Fig.1 The statistics results of ship accident claims during 1998 to 2004 conducted by Swedish Club

表1 瑞典船舶保險公司對1998-2004年船舶機械故障理賠事故的統(tǒng)計結(jié)果Tab.1 The statistics results of ship mechanical accident claims during 1998-2004 conducted by Swedish Club

由此可見，發(fā)展大型船舶的重要技術(shù)挑戰(zhàn)就是如何提升船舶的航行性能，其中大型船舶船型的合理設(shè)計以及保證推進動力系統(tǒng)的可靠運行是提升其航行性能的重要方面，尤其是解決大型船舶的推進系統(tǒng)與船體的系統(tǒng)動力學耦合問題是關(guān)鍵。由于船舶的大型化，推進系統(tǒng)與船體兩者的相互耦合、相互影響問題日益突出。一方面，大型/超大型船舶由于船體主參數(shù)明顯增大，推進軸系傳遞的扭矩、推力巨大，導致船舶軸系振動加劇，振動激勵通過軸系—軸承—船體傳遞，進而引起船體的強烈振動[7]，然而為了保證船舶的動力與推進性能，對于軸系振動較難實施隔離措施[8]。特別是當主推進柴油機反轉(zhuǎn)時其輸出扭矩超過額定扭矩的2倍[4]，將使船舶航速劇烈變化，船體與波浪相互作用加劇而發(fā)生劇烈的動態(tài)變形，直接威脅船舶的安全。另一方面，通過增大軸系與螺旋槳的直徑來保證扭矩傳遞[9]，必然導致軸系剛度增加。但船體是一薄壁腔體，其剛度不會與軸系剛度同步增長，凸顯軸系剛性相對增大，如大型油輪和散貨船的軸系較短，軸系剛性對船體變形極為敏感，在不同載重工況下，軸系中心線的相對變形分布均呈現(xiàn)“凸”形曲線，壓載時的最大絕對變形達到180 mm；浮態(tài)下相對軸系首尾軸承軸線的最小變形為2.2 mm，滿載下最大變形為6.2 mm。而軸承間隙數(shù)量級為0.1 mm級，對比可見軸線的變形量遠遠大于軸承間隙，導致軸系軸承的相對位置、負荷發(fā)生劇烈變化，甚至超出保持軸系正常運轉(zhuǎn)所允許的范圍，引發(fā)主機停機等推進動力機械故障[10-11]。表2給出了國外某船廠制造的新舊VLCC船軸承負荷影響數(shù)[12]。從表2中可清楚地看到，當中間軸承變化0.1 mm后，新型VLCC的尾管前軸承載荷增加21 650 N；而老船只增加8 070 N，前者幾乎是后者的3倍。但這里還沒有考慮船體變形，如果船體變形使得中間軸承被抬高0.28 mm，則尾管前軸承的負荷減少60 600 N，導致軸承基本脫空[2]。這些都是船舶大型化所必然面對的困境。

表2 軸承負荷影響數(shù)對比表[12]Tab.2 The bearing loading influence coefficients[12]

因此，水環(huán)境中大型船舶的船體變形及其船舶推進系統(tǒng)間的相互影響已成為了船舶與海洋工程的重要研究領(lǐng)域，引起了船舶界和各國船級社的高度重視，風、浪、流變化莫測的海洋環(huán)境下大型船舶推進動力系統(tǒng)工作不確定性描述、船舶推進系統(tǒng)與船體的系統(tǒng)動力學耦合理論以及實驗室模擬實驗與實船航行環(huán)境下的船舶航行性能優(yōu)化的一致性等都是亟待重點研究的科學問題。

2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀與分析

大型船舶的船體尺寸比較大，船體相對柔軟，目前的研究大都將船體看作彈性梁，根據(jù)裝載狀態(tài)預估船體彎曲變形方向，假定船體的最大撓度點即為最大彎矩點，按線性關(guān)系確定船體局部變形[3]，并以此為主要依據(jù)設(shè)計安裝推進系統(tǒng)與檢驗推進性能。但這種方法的模型過于簡化，計算結(jié)果難以保證。因為將船體簡化為梁來分析，首先需要考慮如何正確界定邊界條件；其次是如何描述裝載和風浪流等作用引起的船體變形動態(tài)過程，以及船體變形引起的一系列耦合現(xiàn)象，如軸承支座偏移，軸承載荷過度或過弛，動力機械裝置扭振變形等（見圖2[13]和圖3[14]）。這個過程是典型的復雜、非線性耦合過程，其結(jié)果必然降低船舶推進系統(tǒng)性能，增大主機能耗。所以，在船舶設(shè)計、制造與安裝過程中就應該考慮這種耦合作用帶來的影響，以優(yōu)化船舶推進裝置的運行性能。然而，由于目前我國船體設(shè)計制造與推進系統(tǒng)設(shè)計制造是分開考慮的，沒有將船體與推進系統(tǒng)融合一體進行全盤考慮，導致對于大型船舶推進動力系統(tǒng)與船體耦合動力的研究報告比較少見，并沒有形成系統(tǒng)的理論。為了建立推進動力系統(tǒng)與船體耦合的大動力系統(tǒng)理論，對其耦合形成機理與規(guī)律進行系統(tǒng)的研究，需要重點解決如下問題：

（1）大型船舶的大尺度效應影響下船舶推進裝置工作不確定性。大型船舶由于尺寸巨大造成船體變形大、推進系統(tǒng)振動強烈，引發(fā)諸多參數(shù)相互耦合，影響船舶航行性能，即大尺度效應。由于大尺度效應作用，導致大型船舶推進裝置的實際工作狀態(tài)與原始設(shè)計狀態(tài)和建造狀態(tài)不一致，其實際工作狀態(tài)受環(huán)境影響而在一定方位內(nèi)變動，使得實際工況與設(shè)計工況不一致，出現(xiàn)了工作不確定性問題。

（2）不同海洋服役環(huán)境下船體變形和船舶運動誘發(fā)的船舶推進裝置-船體之間動力學耦合。船舶航行在海洋環(huán)境中，海洋環(huán)境的風、浪、流等外激載荷是隨機多變的，尤其是極端海洋環(huán)境外部激勵載荷作用在船體上時，引起大型船舶的船體不均勻變形和隨機運動，并通過船體的傳遞作用引起船舶推進動力裝置過載響應，導致推進裝置關(guān)鍵部件過載而破壞，機械系統(tǒng)狀態(tài)超出了服役允許的范圍而不能工作，這就提出了大型船舶推進裝置—船體動力學耦合性問題。

（3）基于實驗室試驗模型的船舶設(shè)計與實際海洋服役環(huán)境條件下船舶航行性能兩者之間的船舶推進裝置—船體之間航行性與能效性的一致性研究。由于實驗室的測試條件不可能復原實際的海洋航行環(huán)境，導致實驗室測試得到的數(shù)據(jù)與船舶在海洋環(huán)境中的實際數(shù)據(jù)不一致，存在著一定的誤差，這二者的不一致是導致船舶設(shè)計數(shù)據(jù)與實船航行的航行性和能效性不一致的根本原因，如何消除其差異對船舶工業(yè)的快速發(fā)展意義重大。

圖2 [13]流動波浪作用下的船體變形動態(tài)過程Fig.2 The dynamical deformation process of the ship hull excited by the wave loads[13]

圖3 [14]大型船舶船體變形造成推進軸系中線失中Fig.3 The misalignment of marine propulsion shaft line caused by the hull deformation[14]

下面分別從大型船舶推進動力系統(tǒng)工作不確定性研究、船舶推進系統(tǒng)-船體耦合動力學理論研究、實驗室模擬實驗與實船航行環(huán)境下船舶航行性能的一致性研究等三方面闡述推進動力系統(tǒng)與船體耦合作用的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，并指出了尚待解決的問題和今后的研究方向。

3 大尺度效應影響下大型船舶推進系統(tǒng)工作不確定性研究現(xiàn)狀

在進行大型船舶推進動力系統(tǒng)-船體耦合分析之前，必須研究推進動力系統(tǒng)本身特性。在利用數(shù)學與力學理論方法描述大型船舶推進系統(tǒng)模型時，由于建模理論的諸多假設(shè)，加之船舶航行的海洋環(huán)境如風、浪、流形式紛繁復雜，隨機多變，難以預測，以及船舶本身的運行工況、裝載情況等時常變化，從而造成船舶推進系統(tǒng)工作狀況具有較強不確定性，難以得到準確的數(shù)學模型或物理模型，也無法基于單一方法得到模型的統(tǒng)一描述。其結(jié)果直接導致現(xiàn)有的推進系統(tǒng)模型計算結(jié)果與實船測試結(jié)果誤差較大，降低了仿真模型的實用性。

船舶推進動力系統(tǒng)不確定性研究的內(nèi)涵是進行模型輸出與真實值之間的偏差度分析以及影響偏差程度的原因分析，掌握系統(tǒng)模型不確定性規(guī)律，完善建模理論與方法，達到減小或消除理論與實船間偏差的目的，提高系統(tǒng)模型的可靠性，為大型船舶推進動力系統(tǒng)-船體耦合分析提供重要的科學理論基礎(chǔ)。

目前不確定性研究主要研究方法有三種：隨機模型[15-16]；模糊模型[17-18]；區(qū)間分析模型[19-20]。雖然國際學術(shù)界對不確定性問題已經(jīng)進行了多年的研究，但仍然不能系統(tǒng)地給出不確定性對于模型可靠性影響的完整分析方法，表現(xiàn)為不同分析方法只適應特定的分析對象[19]。而且這些研究目前主要還是集中在航空航天、工程結(jié)構(gòu)、巖土力學等領(lǐng)域，在船舶領(lǐng)域特別是對于船舶航行中推進動力系統(tǒng)所具有的不確定性分析，相關(guān)的文獻報道還鮮有涉足。因此研究適合大型船舶推進動力系統(tǒng)不確定性的分析方法對于提高系統(tǒng)工作可靠性、進而提高船舶航行性能都具有十分重要的學術(shù)意義和工程應用價值，具體包括如下問題的研究：

·模型的不確定性

模型結(jié)構(gòu)：不同的模型反映了不同建模理論與建模假設(shè)間的不確定度，通過模型計算結(jié)果與真實值的分析，可以評估不同建模理論與假設(shè)的可靠性。比如，4自由度系統(tǒng)模型與5自由度模型間的輸出變化可以評估它們建模假設(shè)的不確定度。

模型細節(jié)：通常為了減小計算量，在推進動力裝置建模過程都會對模型進行簡化。比如，柴油機的均值模型就是對曲軸-柴油機模型的簡化，不能反映汽缸內(nèi)工作狀況隨曲軸轉(zhuǎn)角變化的細節(jié)不確定度。如何評估模型細節(jié)的不確定性目前的研究還比較少見。

模型推理：對于推進模型的某個具體工況可以得到較滿意的仿真結(jié)果，然而當模型漂移到此工況區(qū)界外的不確定性怎樣目前還需要進一步研究。

·參數(shù)/數(shù)據(jù)的不確定性

實際物理參數(shù)：建立船舶推進系統(tǒng)模型時系統(tǒng)的材料特性的時變不確定度（比如變剛度、變阻尼等），幾何尺寸的不確定性，力學參數(shù)不確定度（如結(jié)構(gòu)荷載的不確定性，初始條件和邊界條件的不確定性等）的研究還很少見。

系統(tǒng)模型輸入變量：目前在模型輸入的不確定（主要由于外界干擾激勵的隨機性）對系統(tǒng)所有的二級、三級等子系統(tǒng)所帶來的不確定性，以及最終造成模型輸出的不確定性的研究甚少。

·測量的不確定性

包括對仿真模型和實驗數(shù)據(jù)測量當中的信號采集系統(tǒng)的不確定性分析。特別對于實船數(shù)據(jù)測量，測試設(shè)備的定位、安裝和數(shù)據(jù)采集受船舶布置影響很大；所以采集到的數(shù)據(jù)的可靠性對傳感器的設(shè)計、布置以及信號的去噪處理的要求很高。測量結(jié)果的真實度對數(shù)值模型的評估結(jié)果影響很大。然而，目前對船舶航行數(shù)據(jù)的真實度分析還很不充分，且一般將采集到的結(jié)果直接作為真實值進行處理。因此，開展關(guān)于測量的不確定性研究是非常必要的。

4 大型船舶推進系統(tǒng)—船體的動力學耦合研究現(xiàn)狀

荷蘭代爾夫特理工大學、荷蘭皇家海軍大學和荷蘭MARIN從20世紀90年代就開展了一系列項目合作，通過數(shù)字建模仿真與實驗驗證的方式來優(yōu)化船舶航行狀態(tài)下推進系統(tǒng)的工作性能。他們的合作研究分為三個階段[21]：第一階段是創(chuàng)建柴油機均值模型，此模型的開發(fā)經(jīng)歷了15年的深入研究，并仍然在持續(xù)研究中。該模型從空氣過濾器到廢氣，將柴油機所有的元部件都作了描述，能夠系統(tǒng)準確地模擬柴油機各種工況下的工作過程以及參變量變化曲線。第二階段在柴油機均值模型基礎(chǔ)上開發(fā)出了護衛(wèi)艦的機動模型，即荷蘭皇家海軍的Dynaship計劃。該機動模型能夠在模擬控制臺控制下航行，但是未考慮航行環(huán)境對模型的影響。第三階段是機動模型的實海環(huán)境航行測試，包括靜水下的四自由度（縱蕩、橫蕩、橫搖和縱搖）非線性預測與控制，斜流下推進槳性能控制等。在此三個階段的研究成果基礎(chǔ)上，他們在2005年正式提出了主機—推進槳—船體耦合系統(tǒng)。這個大型復雜的仿真模型首次將三者融為一體，系統(tǒng)地研究船舶航行狀態(tài)下推進主機、推進槳與船體間的相互耦合作用，并提出了相應的優(yōu)化設(shè)計匹配與控制策略，有效提高了船舶的航行性能。這也是比較少見的系統(tǒng)研究水環(huán)境—船體—推進動力裝置等三部分動力耦合系統(tǒng)的文獻資料。但是，他們的研究主要還是基于穩(wěn)態(tài)數(shù)值建模方法，對于模型在動力學方面的瞬態(tài)細節(jié)未有考慮，并且對靜水下和動水下的多自由度的模型性能測試研究不足。

由于系統(tǒng)研究水環(huán)境-船體-推進系統(tǒng)耦合動力學是學術(shù)界公認的難點問題，所以為了順利開展該方面的研究，多數(shù)學者的研究內(nèi)容主要還是集中在波浪—船體耦合和船體—推進系統(tǒng)耦合兩個方面。

4.1 波浪—船體變形耦合研究現(xiàn)狀

船舶作為一種比較典型的薄壁結(jié)構(gòu)體，在波浪中航行，由于船體周圍波浪的壓力空間場和時間場的變動，會引起船體的響應：既有整體運動（剛體運動），也會產(chǎn)生變形。船舶的整體運動指的是船舶的縱蕩、橫蕩、垂蕩、橫搖、縱搖和艏搖，一般在分析這些運動時認為船體是沒有變形的。事實上船舶會產(chǎn)生各種形式的變形，船體對波浪、螺旋槳、舵、減搖裝置以及動力裝置的激勵都會有響應，大型船舶因為縱向尺度大，整體彈性強，波浪引起的變形響應很大，同時船體的變形對波浪的反作用效應也很明顯。但是從安全的角度考慮，人們通常更多地關(guān)注船舶航行時的結(jié)構(gòu)安全性[22-25]，多年來學者們將研究的重點放在如何預報作用于船體的波浪彎矩，如何確定船體的總縱強度和局部強度等方面，對于波浪引起的船體變形以及這種變形與船舶動力系統(tǒng)之間的相互影響，則沒有進行系統(tǒng)的研究。

在耦合的條件下預報由波浪引起的船體變形，目前國內(nèi)外的研究大多從理論分析、數(shù)值仿真和試驗監(jiān)測三個方面著手。理論分析多以船舶水彈性力學開展，從流固耦合的角度，考慮海洋結(jié)構(gòu)的慣性力、變形內(nèi)力及其界面上的水動力之間相互作用，把結(jié)構(gòu)和其周圍流場作為統(tǒng)一的整體系統(tǒng)進行分析，描述在海洋環(huán)境激勵下船體的運動與變形；數(shù)值仿真的常規(guī)實現(xiàn)方法是先通過一定的手段（經(jīng)驗公式、切片理論等，也包括船舶水彈性力學）預報波浪載荷，再采用大型有限元軟件建立船體有限元模型，施加波浪載荷并計算得出船體的變形響應，計算結(jié)果的有效性是以對波浪載荷預報的準確度為前提的；試驗監(jiān)測則是采用多學科手段（光學、電磁學、信號學、慣性學等）對航行過程中的真實船體進行實時的變形監(jiān)測。圍繞這三個方面，眾多國內(nèi)外學者做了大量工作來預報波浪產(chǎn)生的船體變形。

在理論方面，Denis和Pierson[26]受電磁理論的啟發(fā)，將頻譜分析方法引入到船舶工程領(lǐng)域，使得不規(guī)則波中船舶所受波浪載荷預報成為可能；Korvin-Kroukovsky[27]應用空氣動力學中的細長體理論提出線性頻域切片法來預報船舶運動和波浪載荷；之后，Jacobs[28]、Vosser[29]以及Tasai[30]等對該理論作了進一步的完善和發(fā)展，形成了普通切片法（Original Strip Theory）。接著，基于不同的理論假設(shè)，出現(xiàn)了一些新的方法，如新切片法、STF法等，并將線性切片推廣到了非線性層面[31-37]。同時，時域切片法也有了很大進展[38-39]。相對頻域切片，時域切片分析可以方便地處理瞬態(tài)問題、時歷響應及船體大幅運動時的非線性運動問題。目前，國外基于時頻域切片理論已經(jīng)開發(fā)了相關(guān)的計算軟件，如美國海軍用于艦船設(shè)計的多層次計算和仿真系統(tǒng)SMP、QLSLAM和DYNRES等，國內(nèi)中國船舶科學研究中心和哈爾濱工程大學也開發(fā)了相應的計算軟件，同時在此基礎(chǔ)上對船舶在不規(guī)則波中運動與載荷的短期與長期分析作了研究。雖然切片理論在低海情下預報比較準確，且計算量小，但是在復雜海況下，由于非線性效應，其預報精度與實際應用效率還有待提高[31-39]。為此，Hess和Smith[40]發(fā)展了三維水動力計算理論，Chapman發(fā)展了二維半理論[41]等，以適應非線性計算的需要，但是因為理論體系的不完善以及實際計算量大、費用高，很難運用于工程實踐當中[33]。

在數(shù)值計算方面，目前有匹配漸進展開法[42]、有限體積法[43]、Wagner平板理論[44]、有限元法[45-49]、以及邊界元法[50-52]等等。高木健[42]使用匹配漸進展開法研究了二維楔形彈性板的入水問題。Sames等人[43]使用有限體積法來解決船體砰擊的問題。Mei等[44]根據(jù)Wagner的平板理論，提出了一個求解任意剖面形狀二維物體入水問題的方法。Souli和Aquelet[45]利用大型有限元軟件LS.DYNA來模擬二維剛性楔形體的入水砰擊問題，預報了局部砰擊壓力情況及阻尼對砰擊壓力的影響。陳震和肖熙[46-49]利用大型有限元軟件MSC.Dytran來模擬剛性和彈性平底結(jié)構(gòu)的砰擊問題。金伏生[50]在理論上建立了氣、水、固三者耦合運動的各類變分原理、界限定理和邊界積分方法，并由此證明了運動方程組數(shù)值解的存在性。盧熾華[51]通過對流場使用邊界元，對結(jié)構(gòu)使用有限元建立完全耦合方程。倪樵等[52]從二維NS方程出發(fā)，借助于拉普拉斯變換與數(shù)值逆變換技術(shù)，采用邊界元方法對二維剛性平底物體入水的響應問題進行了分析。這些方法都各有特點，但也有不完善的地方，尤其是耦合計算方面的問題的解決還有待進一步深入研究。

關(guān)于波浪引起的船體變形監(jiān)測方面的研究也很多，發(fā)展起來的監(jiān)測方法主要有偏振光能量測量法，大鋼管基準法，雙光源雙CCD測量法，雙頻偏振光法，光柵法，液體壓力測量法，攝影測量法，應變傳感器測量法，多部位安裝航姿系統(tǒng)，慣性測量匹配法，GPS測量法等[53]，雖然船體變形監(jiān)測不能從理論層面上清晰地反映出水環(huán)境-船體動力學耦合機理，但可以作為一種試驗手段，用來進行波浪作用下船體變形的理論或數(shù)值解的有效性檢驗。

雖然學者們在波浪-船體變形耦合方面取得了眾多研究成果，但仍然面臨如下的科學難題：

（1）波浪模型的建立。大型船舶具有特殊的運輸特點與定位，有很大的可能性是在高海情條件下做大幅運動。研究大型船舶在規(guī)則波和隨機波作用下的變形所采取的數(shù)學方法是不一樣的。規(guī)則波的載荷預報計算量小，易于實現(xiàn)；隨機波反應真實海況，但預報相對復雜。

4月22日，水利部抗震救災前方領(lǐng)導小組成立臨時黨支部，由水利部抗震救災前方領(lǐng)導小組組長、國家防辦副主任李坤剛擔任臨時黨支部書記。

（2）波浪—高彈性船體之間動力學耦合的數(shù)學描述。在常規(guī)的波浪與船體的流固耦合研究中，船體一般是被視為剛性的，但對于大型船舶，相對剛性很大的推進軸系來說，船體是高彈性的，船體在與波浪耦合作用中的貢獻將會變大，耦合系數(shù)的不確定性變大。

（3）船體變形的實時預報。目前涉及動力系統(tǒng)與船體耦合（比如船體變形對軸系校中的影響）的文獻中絕大多數(shù)只是簡單地考慮了不同裝載情況、特定波浪及作用狀態(tài)（中垂和中拱）下的船體變形，這也從一個側(cè)面反映了實時預報船體變形的難度。船體變形的預報實際上對應于波浪載荷的預報，實時預報變化的波浪載荷，即波浪載荷的時域分析。時域分析能有效地處理瞬態(tài)問題（瞬態(tài)砰擊外載荷）、時歷響應及船體大幅運動時的非線性運動問題。利用時域分析進行波浪載荷的預報是目前研究的熱點與難點。

（4）數(shù)值計算的時效性。當波浪載荷實時預報實現(xiàn)時，如何及時有效地建立移植性好的波浪載荷空間場和時間場，并施加到大型船舶的有限元模型中，采用強有力的FEM軟件數(shù)值仿真得到船體變形，是一個涉及多學科的難題。

4.2 推進系統(tǒng)-船體變形耦合研究現(xiàn)狀

船體變形對推進系統(tǒng)，特別是軸系的影響最為劇烈。國際上各大船級社和造船公司紛紛加入大型船舶相關(guān)技術(shù)的研究[54-56]。日本船級社ClassNK很早就提出了PrimeShip計劃[13]，系統(tǒng)研究大型船舶推進-船體變形耦合作用下的船體變形測量與維護、軸系扭振、曲軸應力、軸系校中和船舶運行狀態(tài)評估等。美國船級社（ABS）也集中力量研究推進—船體耦合對大型艦船軸系校中的影響，并開發(fā)了ABS SHAFT軸系校中設(shè)計與分析系統(tǒng)[54]；同樣，挪威船級社（DNV）也在2001年至2008年啟動了考慮船體—推進耦合的軸系校中精確解析計算項目；英國勞氏船級社則開發(fā)了ERA軟件系統(tǒng)來評估軸承對軸系校中的影響[55]；法國BV以及俄羅斯船級社（RS）也已著手進行類似的研究項目。中國船級社（CCS）也開展了《大型船舶軸系校中研究》，針對油船、集裝箱船和散貨船，開展了大型船舶在船舶平浮、壓載和滿載工況下船體變形計算研究；研究了齒輪任意布置時軸承的受力情況以及受力方向，并研究對軸系校中的影響；開展了船體變形對軸系校中的影響研究；開展了環(huán)境安裝溫度對軸系校中的影響研究。國內(nèi)相關(guān)院所就船舶動力裝置研究也開展了積極的基礎(chǔ)研究工作，但是真正涉及到有關(guān)大型船舶動力裝置-船體之間的強相互耦合作用的建模理論、仿真方法與實驗驗證等方面的科學問題甚少。其中武漢理工大學較早開發(fā)了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的軸系校中計算軟件，但也缺乏對推進系統(tǒng)-船體耦合影響的系統(tǒng)考慮[2]。由此可見，在惡劣海洋環(huán)境下保證推進軸系的校中質(zhì)量是有效提高大型船舶航行性能的關(guān)鍵技術(shù)。但是，目前在進行船舶軸系的校中計算時，一般不考慮軸承支承處的變形，即在不考慮船體變形的情況下進行軸系的校中計算，并以校中計算的數(shù)據(jù)作為軸系施工的依據(jù)[57]。眾所周知，即使是在不考慮風浪流等因素影響的情況下，不同的吃水狀態(tài)都會導致船體產(chǎn)生不同的相對變形。不同方向與程度的船體變形會使軸系的各軸承處產(chǎn)生不同的相對位移，導致軸系的校中狀態(tài)隨之變化[3]。然而，在目前國內(nèi)的船舶生產(chǎn)過程中，通常拉線、照光是在塢內(nèi)或船臺上進行的，軸系校中施工與校驗則是在浮態(tài)下進行的，顯然，兩者的狀態(tài)是不一致的，校中的質(zhì)量肯定會受影響。如果再進一步考慮船體動態(tài)變形，傳統(tǒng)軸系校中方法已經(jīng)不能夠滿足校中要求[54]。

Larsen[58]于1976年就指出在軸系校中過程中需要考慮吃水變化、熱效應、螺旋槳推力波動、止推軸承推力座傾斜以及軸承柔性等因素的影響，只是當時船體變形對這些因素的耦合影響較小，傳統(tǒng)軸系校中方法可以適用。但隨著船舶大型化，變形的耦合效益開始凸顯。Murawski[59]通過有限元模擬與實船測量對比得出在軸系校中過程應該同時考慮軸承油膜的剛度與阻尼特性、船體變形以及軸承結(jié)構(gòu)等的影響；Safar[60]的研究表明，對中不良將會增大軸承摩擦系數(shù)，導致軸承功耗高于正確對中軸承；Howard[61-62]則通過旋轉(zhuǎn)機械試驗測量得出由于不對中引起的能量損耗接近3%。這個數(shù)字對于一艘30萬噸級柴油機動力油輪而言，每年可以節(jié)省燃油超過1 500 t，抑制至少2 000萬m3的廢氣排放，直接經(jīng)濟效益500多萬。Roemen和Grevink[63]的研究表明由于軸系剛度相對船體較大造成船體產(chǎn)生較大變形，將導致尾軸負載過度或過弛，造成推進系統(tǒng)的損壞；耿厚才等[64]通過有限元模擬計算表明中間軸承與主機軸承對大型船體變形非常敏感；武漢理工大學的嚴新平教授團隊則在軸系校中以及支撐軸承的潤滑密封方面做了長期大量的研究[65-78]，指出大型船體變形-機座-動力系統(tǒng)之間的強烈耦合作用是導致推進系統(tǒng)關(guān)鍵部件過度磨損甚至失靈的主要原因，須在大型船舶船體與推進系統(tǒng)的設(shè)計匹配當中考慮船體變形的耦合作用。但是，雖然目前國外一些著名機構(gòu)已經(jīng)將船體變形及其耦合影響計入到軸系校中來，這些研究大都只是在校中過程中考慮了某一點或幾點，并未對船體變形引發(fā)的一系列耦合問題，如軸承負荷變化、軸系振動、軸承油膜剛度與阻尼變化等進行系統(tǒng)的分析考慮?？梢姡陀嘘P(guān)大型船舶動力裝置-船體之間耦合的研究應用而言，國外也沒有完全解決，即使是國外設(shè)計的由我國建造的首批6艘LNG船舶，至今仍存在軸系嚴重振動、尾管軸承和中間軸軸承損壞等現(xiàn)象。因此，為了在技術(shù)上保持國際先進，減小對國外技術(shù)的依賴度，進行船體動態(tài)變形下軸系校中基礎(chǔ)理論與方法研究，開發(fā)自適應軸系校中系統(tǒng)對于提高我國大型造船技術(shù)十分迫切。

5 實驗室模擬實驗與實船航行環(huán)境下船舶航行性能的一致性研究現(xiàn)狀

（1）虛擬拖曳水池（阻力+推進）；

（2）虛擬耐波性（適航性）水池；

（3）虛擬操縱性水池；

（4）虛擬空泡水筒；

（5）綜合集成平臺。

世界航運大國都建設(shè)有實驗設(shè)備先進齊全的各種水池，比如德國漢堡水池（HSVA）、荷蘭水池（MARIN）、瑞典水池（SSPA）、美國泰勒水池（DTMB）、日本水池（NMRI）、俄羅斯克雷洛夫水池等。我國中國船舶科學研究中心、哈爾濱工程大學、上海交通大學以及武漢理工大學等高校研究所也建造了各種船模試驗水池，并開展了船舶耐波性、操縱性、水下爆破等相關(guān)試驗研究。

利用水池試驗，通過先進傳感技術(shù)與信號采集儀器測量到船模在波浪中的各種數(shù)據(jù)，按照一定的換算方法，就可以得到船舶在真實海洋環(huán)境下的航行性能模擬數(shù)據(jù)。但是，模型試驗的缺點是船模在水池的試驗及其波浪模擬尚不能充分反映真實海浪對船舶航行性能的影響[80]，模型測試結(jié)果與實船航行測量結(jié)果之間還存在一定的偏差。如何評估實驗室船模試驗結(jié)果的真實度、實船測試數(shù)據(jù)的可靠度、以及兩者測量結(jié)果之間的一致性問題，目前的研究還是非常少見。因此，建立水環(huán)境—推進系統(tǒng)—船體耦合作用下大型船舶航行性能基準模型試驗，研究實驗室與實船測試之間差異的內(nèi)在原因，提出對應的優(yōu)化方法，具有較好學術(shù)與工程應用價值，其結(jié)果能夠為提高模型試驗的可靠性，以及完善大型船舶的推進系統(tǒng)—船體耦合動力學理論提供實驗基礎(chǔ)支持。

6 結(jié) 論

綜上所述，目前對復雜海洋環(huán)境下大型船舶的推進系統(tǒng)-船體耦合動力學的相關(guān)理論與實驗分析還需進一步研究，尚缺乏有效的分析方法與評估優(yōu)化手段，關(guān)于大型船舶的推進系統(tǒng)—船體耦合動力學對航行性能所產(chǎn)生的危害性及其規(guī)律還缺乏客觀的認識，還難以對我國大型船舶的設(shè)計制造提供有實際指導價值的支撐。因此，需要通過對大型船舶推進動力系統(tǒng)工作不確定性、船舶推進系統(tǒng)-船體耦合動力學理論、實驗室模擬實驗與實船航行環(huán)境下船舶航行性能的一致性等三個方面的研究，提出實海環(huán)境下波浪載荷與船體變形的實時預報方法，建立大型船舶的推進系統(tǒng)—船體耦合動力學理論，揭示推進系統(tǒng)與船體耦合作用關(guān)系，提出自適應的軸系校中方法，解決影響大型船舶推進裝置安全、可靠、高效的基礎(chǔ)理論與關(guān)鍵技術(shù)，為大型船舶在復雜海洋航行環(huán)境中的航行性能提升提供理論支持。

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