李 鵬 陳曉晨

（上海船舶研究設(shè)計(jì)院，上海201203）

0 前言

船舶運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，受波浪影響可能會(huì)發(fā)生砰擊、上浪、螺旋槳飛車等意外情況，對(duì)航行船舶安全構(gòu)成極大威脅。因而準(zhǔn)確預(yù)報(bào)波浪中船舶的運(yùn)動(dòng)性能就顯得至關(guān)重要。同時(shí)，營(yíng)運(yùn)中船舶所受載荷隨波浪運(yùn)動(dòng)不斷變化，準(zhǔn)確預(yù)報(bào)營(yíng)運(yùn)船舶波浪載荷也成為船舶結(jié)構(gòu)強(qiáng)度評(píng)估的重要問(wèn)題。

根據(jù)線性理論，船舶在真實(shí)海況不規(guī)則波上的運(yùn)動(dòng)和波浪載荷可以看作無(wú)數(shù)不同浪向、頻率、相位的規(guī)則波上的運(yùn)動(dòng)和波浪載荷組分疊加而成。因而規(guī)則波上的運(yùn)動(dòng)和波浪載荷預(yù)報(bào)就成為耐波性和波浪載荷預(yù)報(bào)中的首要問(wèn)題。針對(duì)規(guī)則波上船舶的運(yùn)動(dòng)和波浪載荷預(yù)報(bào)，工程中主要采用三維勢(shì)流理論，計(jì)算船舶波浪壓力，求解船舶運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而預(yù)報(bào)剖面載荷。

1 計(jì)算方法

根據(jù)線性頻域理論和理想流體假設(shè)，波浪中流體速度可通過(guò)求解速度勢(shì)獲得。通過(guò)面元法建立三維船體模型，即可求得船舶運(yùn)動(dòng)速度勢(shì)，從而可計(jì)算船舶的附加質(zhì)量和阻尼系數(shù)，建立波浪中船舶運(yùn)動(dòng)方程［1］：

式中：M——船體質(zhì)量矩陣；

η——船體運(yùn)動(dòng)位移；

A——附加質(zhì)量矩陣；

B——阻尼系數(shù)矩陣；

C——靜水力系數(shù)矩陣；

f——波浪擾動(dòng)力矩陣

根據(jù)速度勢(shì)求解船體表面的流體速度分布，再通過(guò)伯努利方程即可計(jì)算船體表面的水動(dòng)壓力分布。

根據(jù)達(dá)朗貝爾原理，作用于部分長(zhǎng)度浮體上的真實(shí)流體載荷與剛體慣性力載荷相平衡。于是波浪中船舶的剖面載荷即可通過(guò)式（2）［1］求解。

式中：Q——計(jì)算剖面的剖面載荷；

p——船體所受靜水壓力和水動(dòng)壓力之和；

M——廣義船體質(zhì)量

2 計(jì)算模型簡(jiǎn)介

8 000 kW海洋救助船是一種新型多功能遠(yuǎn)海救助船。該船航行于無(wú)限航區(qū)，主要用于海上失事船只的人命救生和以海上人命救生為目的的船舶救助及消防滅火。該船具有一級(jí)對(duì)外消防滅火作業(yè)能力、海面浮油回收作業(yè)能力以及營(yíng)救作業(yè)能力，能搭載獲救人員100人，并能拖曳浮筒和起浮的沉船；同時(shí)提供搜救直升飛機(jī)懸停作業(yè)。該船主要船型參數(shù)如下：

圖1為8 000 kW海洋救助船布置圖。

圖1 8 000 kW海洋救助船總布置圖

根據(jù)型線圖，建立三維水動(dòng)力計(jì)算模型，見(jiàn)圖2。將水動(dòng)力模型導(dǎo)入三維勢(shì)流理論軟件Hydrostar，即可求解船舶的脈動(dòng)水動(dòng)壓力。再根據(jù)船舶的質(zhì)量分布，即可獲得規(guī)則波上船舶的運(yùn)動(dòng)和波浪載荷響應(yīng)。

圖2 水動(dòng)力計(jì)算模型

3 計(jì)算結(jié)果

計(jì)算工況選取船舶裝載甲板貨，滿載出港工況。波浪彎矩選取靜水彎矩最大處FR84。規(guī)則波波幅為1 m，計(jì)算頻率從 0.1～1.8 rad/s，每隔 0.05 rad/s 為一計(jì)算頻率。浪向從0°～180°，每隔45°為一個(gè)計(jì)算浪向。圖3～圖8為船舶六個(gè)自由度運(yùn)動(dòng)的幅頻響應(yīng)算子（RAO），圖9為FR84處波浪載荷RAO。

圖3 縱蕩運(yùn)動(dòng)RAO

圖4 橫蕩運(yùn)動(dòng)RAO

圖5 升沉運(yùn)動(dòng)RAO

圖6 縱搖運(yùn)動(dòng)RAO

圖7 橫搖運(yùn)動(dòng)RAO

圖8 首搖運(yùn)動(dòng)RAO

圖9 垂向波浪彎矩RAO

4 運(yùn)動(dòng)與波浪載荷預(yù)報(bào)結(jié)果分析

分析上述計(jì)算結(jié)果，發(fā)現(xiàn)對(duì)于縱蕩和橫蕩運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)幅值隨頻率增加而衰減，縱蕩運(yùn)動(dòng)最大幅值發(fā)生在0°浪向，橫蕩運(yùn)動(dòng)最大幅值發(fā)生在90°浪向。

對(duì)于垂蕩運(yùn)動(dòng)，隨波浪頻率降低，垂蕩運(yùn)動(dòng)幅值趨近于入射波波幅。隨波浪頻率升高，垂蕩運(yùn)動(dòng)幅值不斷衰減，且其運(yùn)動(dòng)幅值在固有頻率附近存在一峰值。90°浪向下的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)最大。

對(duì)于縱搖和橫搖運(yùn)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)幅值存在明顯峰值。縱搖運(yùn)動(dòng)的最大幅值發(fā)生在45°浪向下，橫搖運(yùn)動(dòng)的最大幅值發(fā)生在90°浪向下。對(duì)于首搖運(yùn)動(dòng)，45°斜浪下的運(yùn)動(dòng)幅值最大，且在固有頻率處存在峰值。對(duì)于垂向波浪彎矩，最大值發(fā)生在45°浪向。

5 結(jié)語(yǔ)

本文運(yùn)用三維勢(shì)流理論預(yù)報(bào)了8 000 kW海洋救助船在規(guī)則波上的運(yùn)動(dòng)與波浪載荷響應(yīng)，為預(yù)報(bào)真實(shí)海況不規(guī)則波下耐波性與波浪載荷預(yù)報(bào)打下了基礎(chǔ)。三維勢(shì)流理論可以充分考慮船體型線變化，采用其評(píng)估船舶耐波性和波浪載荷，可以為船舶總體性能優(yōu)化和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考和依據(jù)。

［1］戴仰山，沈進(jìn)威，宋競(jìng)正.船舶波浪載荷［M］.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2007.