黃斯慧++呂鴻冠++黃技++李志安

利用海洋工程水動(dòng)力分析軟件AQWA，在線性波浪條件下對(duì)一艘游艇進(jìn)行水動(dòng)力分析，得到該游艇在不同海浪入射方向上的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩及船體外板應(yīng)力的時(shí)域變化規(guī)律，為游艇的前期設(shè)計(jì)及建造過(guò)程提供一種思路。

一、引言

游艇是一種新型的高級(jí)水上娛樂(lè)消費(fèi)品，它集日常居家、海上觀光和休閑娛樂(lè)等功能于一身，滿足個(gè)人及家庭享受生活的需要。我國(guó)的游艇產(chǎn)業(yè)發(fā)展只有十幾年，相對(duì)歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家，我國(guó)的游艇建造技術(shù)仍然處于相對(duì)落后的階段。但是，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，游艇產(chǎn)業(yè)形勢(shì)日益樂(lè)觀，特別是對(duì)于富裕階層的消費(fèi)者，游艇已經(jīng)成為必不可少的娛樂(lè)消費(fèi)品。

由于游艇是一種較新的海上航行器，目前大部分船舶建造規(guī)范仍然不涉及游艇領(lǐng)域。直到近幾年，中國(guó)船級(jí)社CSS頒布了《游艇入級(jí)與建造規(guī)范》等文件，才讓游艇的建造過(guò)程相對(duì)規(guī)范化。但是，由于游艇結(jié)構(gòu)的特殊性及功能的定制性，當(dāng)面對(duì)廣大消費(fèi)者的獨(dú)特設(shè)計(jì)需求時(shí)，游艇的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與航行性能一直困擾著游艇工程師。因此，尋找一種新的計(jì)算游艇水動(dòng)力性能的方法對(duì)我國(guó)的游艇產(chǎn)業(yè)的發(fā)展及游艇的安全性能有巨大的現(xiàn)實(shí)意義。

二、AQWA簡(jiǎn)介

AQWA是一款海洋工程水動(dòng)力性能的計(jì)算軟件，在日常的生產(chǎn)設(shè)計(jì)中，AQWA主要用于滿足各種結(jié)構(gòu)流體動(dòng)力學(xué)特性評(píng)估相關(guān)分析的需求。AQWA的分析范圍從桅、桁到FPSOs，從TLPs到半潛水系統(tǒng)，從停泊系統(tǒng)到救生系統(tǒng)，從漁船到大型船舶以及結(jié)構(gòu)與流體間交互作用。

AQWA的計(jì)算模塊覆蓋流體分析的全部范圍：AQWALINE主要用于分析流體的衍射、輻射（包括淺水效應(yīng)）；AQWAFER主要用于分析具有隨機(jī)波的頻域；AQWADRIFT主要用于分析具有隨機(jī)波（包括慢漂流）的時(shí)域；AQWANAUT主要用于分析具有寬大波的非線性時(shí)域；AQWALIBRIUM主要用于分析包括停泊線的靜動(dòng)穩(wěn)定性。最后所有的模塊集成于強(qiáng)大的前后處理器AQWA——圖形超級(jí)用戶界面。因此，AQWA作為一款專業(yè)的海洋工程水動(dòng)力分析軟件，在海洋航行器及海洋平臺(tái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中一直具有不可取代的地位。

游艇產(chǎn)業(yè)作為一種新興的產(chǎn)業(yè)，目前市面上AQWA水動(dòng)力分析在游艇設(shè)計(jì)中的應(yīng)用十分稀少。由于游艇自身結(jié)構(gòu)的特殊性，導(dǎo)致目前的船舶建造規(guī)范并不適用于游艇建造，即使近幾年中國(guó)船級(jí)社（CSS）頒布了有關(guān)游艇設(shè)計(jì)與建造的規(guī)范文件，但對(duì)于可定制性非常強(qiáng)的游艇來(lái)說(shuō)，規(guī)范更新的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于游艇結(jié)構(gòu)創(chuàng)新的速度，因此，通過(guò)較為成熟的水動(dòng)力分析軟件AQWA輔助游艇的設(shè)計(jì)與建造具有實(shí)際的工程意義。

三、分析流程

1.分析模型簡(jiǎn)介

該模型是一艘小型游艇，船長(zhǎng)12.8m，型寬4.5m，型深2.5m，吃水0.8m，設(shè)計(jì)水線ll.Om，游艇的Rhino渲染圖、型線圖、總布置圖如圖1-3所示。

2.AQWA分析流程

（l）建立分析項(xiàng)目。啟動(dòng)ANSYS Workbench，在Toolbox中的Analvsis Systems找到HvdrodynamicDiffractions，雙擊或拖曳到Project Schematic，并將游艇的模型IGS文件導(dǎo)入Geometry，如圖4、5所示。

（2）設(shè)計(jì)水線定義導(dǎo)入的模型為1：10的縮小模型，分析前應(yīng)該將模型的大小調(diào)整為實(shí)船大小。在菜單欄里依次選擇CreateBodv Transformation-Scale，將模型縮放比例改為10；再依次選擇CreateBody TransformationTranslate，將模型移動(dòng)到XY Plan以下0.8m處，操作過(guò)程如圖6所示。

模型調(diào)整完畢后，依次點(diǎn)擊CreateSlice，以XYPlan為切割基準(zhǔn)面對(duì)模型進(jìn)行切割，如圖7所示。

（3）模型整理。將船殼上半部分命名為UpperHull，下半部分命名為L(zhǎng)owerHull，并從這兩部分建立Part，以保證生成網(wǎng)格的連續(xù)性，這部分工作十分重要，如果不進(jìn)行此項(xiàng)操作，則會(huì)導(dǎo)致后期的網(wǎng)格劃分失敗，操作如圖8所示。

至此，模型的前期處理工作已經(jīng)完成，退出Geometrv界面，進(jìn)入Model進(jìn)行有限元網(wǎng)格的建立。

（4）質(zhì)量點(diǎn)定義。AQWA中默認(rèn)將船體的重量集中于一個(gè)質(zhì)量點(diǎn)（Point Mass），這個(gè)點(diǎn)與重心重合，且集中了整船的質(zhì)量。定義質(zhì)量點(diǎn)后，一共有四個(gè)參數(shù)需要手動(dòng)設(shè)置，其中重心高度根據(jù)型線圖及總布置圖計(jì)算得到，另外三個(gè)參數(shù)根據(jù)表計(jì)算得到，參數(shù)計(jì)算結(jié)果如圖9所示。

（5）網(wǎng)格劃分。選擇Tree中的Mesh，在Details ofMesh中的Defeaturing Tolerance中輸入0.1，在MaxElement Size中輸入0.2，其他選項(xiàng)默認(rèn)，點(diǎn)擊Generate生成網(wǎng)格。網(wǎng)格參數(shù)如圖10所示，網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖II所示。

（6）波浪定義。點(diǎn)擊Tree中的Wave，選擇WaveDirection，將波浪方向定義為360°，其它參數(shù)保持默認(rèn)，如圖12所示。

點(diǎn)擊Tree中的Wave，選擇Wave Frequency，將 Details of Definition中的Highest Frequency Definition與Lowest Frequency Definition選項(xiàng)改選為Manual Definition，在Lowest Period中輸入25； Shortest Period中輸入15。點(diǎn)擊Generate，完成波浪周期的設(shè)置。波浪周期的詳細(xì)設(shè)置參數(shù)如圖13所示。

四、分析結(jié)果展示

所有參數(shù)設(shè)置完畢后，點(diǎn)擊Solve進(jìn)行求解。船體外板濕表面壓強(qiáng)的時(shí)域分布如圖14-16所示，不同波浪入射方向下船體各個(gè)自由度上收到的波浪力矩如圖17所示。

五、結(jié)語(yǔ)

本文利用AQWA對(duì)一艘游艇進(jìn)行水動(dòng)力分析，并對(duì)詳細(xì)的分析流程進(jìn)行展示和介紹。通過(guò)上述分析可以看出，AQWA作為一款成熟的海洋工程水動(dòng)力分析軟件，在進(jìn)行游艇分析時(shí)，具有一定的優(yōu)勢(shì)。

（1）基于ANSYS Workbench平臺(tái)的操作，將分析流程規(guī)范化、參數(shù)化，從而大大降低了分析難度與精度。

（2） AQWA的模塊成熟且完整，可對(duì)游艇不同的水動(dòng)力性能進(jìn)行計(jì)算，并能輸出完整的水動(dòng)力分析報(bào)告，大大簡(jiǎn)化了分析工作量。

（3） Workbench平臺(tái)下的AQWA可輸出完整的分析數(shù)據(jù)，對(duì)于專業(yè)人員來(lái)說(shuō)，可以將數(shù)據(jù)導(dǎo)入傳統(tǒng)模式下的AQWA進(jìn)行底層操作，得到更加全面的水動(dòng)力分析數(shù)據(jù)。endprint