撰文/廣東海洋大學(xué)工程學(xué)院　黃斯慧　呂鴻冠　黃技　李志安

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基于AQWA的游艇水動(dòng)力分析方法

撰文/廣東海洋大學(xué)工程學(xué)院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)及建造過程提供一種思路。

一、引言

游艇是一種新型的高級水上娛樂消費(fèi)品，它集日常居家、海上觀光和休閑娛樂等功能于一身，滿足個(gè)人及家庭享受生活的需要。我國的游艇產(chǎn)業(yè)發(fā)展只有十幾年，相對歐美等發(fā)達(dá)國家，我國的游艇建造技術(shù)仍然處于相對落后的階段。但是，隨著我國經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，游艇產(chǎn)業(yè)形勢日益樂觀，特別是對于富裕階層的消費(fèi)者，游艇已經(jīng)成為必不可少的娛樂消費(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，中國船級社CSS頒布了《游艇入級與建造規(guī)范》等文件，才讓游艇的建造過程相對規(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)力性能的方法對我國的游艇產(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：AQWA-LINE主要用于分析流體的衍射、輻射（包括淺水效應(yīng)）；AQWA-FER主要用于分析具有隨機(jī)波的頻域；AQWA-DRIFT主要用于分析具有隨機(jī)波（包括慢漂流）的時(shí)域；AQWA-NAUT主要用于分析具有寬大波的非線性時(shí)域；AQWA-LIBRIUM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，即使近幾年中國船級社（CSS）頒布了有關(guān)游艇設(shè)計(jì)與建造的規(guī)范文件，但對于可定制性非常強(qiáng)的游艇來說，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.分析模型簡介

該模型是一艘小型游艇，船長12.8m，型寬4.5m，型深2.5m，吃水0.8m，設(shè)計(jì)水線11.0m，游艇的Rhino渲染圖、型線圖、總布置圖如圖1～3所示。

圖1　游艇渲染圖

圖2　游艇型線圖

圖3　游艇總布置圖

2.AQWA分析流程

（1）建立分析項(xiàng)目。啟動(dòng)ANSYS Workbench，在Toolbox中的Analysis Systems找到Hydrodynamic Diffractions，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。

圖4　建立AQWA游艇水動(dòng)力分析項(xiàng)目

圖5　成功導(dǎo)入的游艇模型

（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Create-Body Transformation-Scale，將模型縮放比例改為10；再依次選擇Create-Body Transformation-Translate，將模型移動(dòng)到XY Plan以下0.8m處，操作過程如圖6所示。

模型調(diào)整完畢后，依次點(diǎn)擊Create-Slice，以XY Plan為切割基準(zhǔn)面對模型進(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LowerHull，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。

圖6　模型的調(diào)整

圖7　進(jìn)行水線切割后的模型

圖8　從切割模型建立新Part

至此，模型的前期處理工作已經(jīng)完成，退出Geometry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。

表　質(zhì)量點(diǎn)參數(shù)計(jì)算公式

圖9　質(zhì)量點(diǎn)參數(shù)的計(jì)算結(jié)果

（5）網(wǎng)格劃分。選擇Tree中的Mesh，在Details of Mesh中的Defeaturing Tolerance中輸入0.1，在Max Element 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11所示。

（6）波浪定義。點(diǎn)擊Tree中的Wave，選擇Wave Direction，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。

圖10　網(wǎng)格參數(shù)的定義

圖11　網(wǎng)格劃分結(jié)果

圖12　波浪入射角度

圖13　波浪周期的設(shè)置參數(shù)

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。

圖14　t=0T時(shí)船體的壓強(qiáng)分布

圖15　t=0.5T時(shí)船體的壓強(qiáng)分布

圖16　t=T時(shí)船體的壓強(qiáng)分布

圖17　不同波浪入射角度下船體各個(gè)自由度的力矩

五、結(jié)語

本文利用AQWA對一艘游艇進(jìn)行水動(dòng)力分析，并對詳細(xì)的分析流程進(jìn)行展示和介紹。通過上述分析可以看出，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。

（1）基于ANSYS Workbench平臺的操作，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，大大簡化了分析工作量。

（3）Workbench平臺下的AQWA可輸出完整的分析數(shù)據(jù)，對于專業(yè)人員來說，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)。