孫雪榮，汪戰(zhàn)軍，彭亞康

(1. 中國船舶及海洋工程研究設(shè)計(jì)院 海洋工程部，上海 200011；2. 哈爾濱工程大學(xué) 船舶工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001)

小方型系數(shù)船舶的船體波浪載荷綜合研究

孫雪榮1，汪戰(zhàn)軍1，彭亞康2

(1. 中國船舶及海洋工程研究設(shè)計(jì)院 海洋工程部，上海 200011；2. 哈爾濱工程大學(xué) 船舶工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001)

從船級(jí)社規(guī)范對(duì)于不符合主尺度比要求的船舶船體梁波浪載荷的規(guī)定出發(fā)，采用理論預(yù)報(bào)和船模試驗(yàn)2種綜合方式，進(jìn)行了小于0.6方型系數(shù)、高航速、高海況目標(biāo)船的波浪載荷研究。從規(guī)范對(duì)波浪載荷的線性理論預(yù)報(bào)值進(jìn)行的非線性修正，修正后中拱和中垂波浪彎矩絕對(duì)值之和與線性理論預(yù)報(bào)極值全幅值相等出發(fā)，闡述所研究船特殊主尺度比下的模型試驗(yàn)結(jié)果、三維非線性水彈性理論預(yù)報(bào)結(jié)果顯示出的波浪載荷非線性行為；同時(shí)綜合模型試驗(yàn)與理論預(yù)報(bào)的共同規(guī)律，研究不同波高、航速、浪向等非常規(guī)船型船體波浪載荷的強(qiáng)非線性行為，從而認(rèn)為規(guī)范基于的線性理論預(yù)報(bào)值進(jìn)行非線性修正的統(tǒng)一規(guī)定太過籠統(tǒng)，進(jìn)而建議規(guī)范對(duì)波浪載荷的非線性修正予以進(jìn)一步的明確區(qū)分和規(guī)定。

波浪載荷；船模試驗(yàn)；水彈性；非線性；砰擊彎矩；波浪動(dòng)彎矩

0 引 言

目前各船級(jí)社規(guī)范[1–3]對(duì)船體總縱強(qiáng)度的規(guī)定中，均對(duì)不符合主尺度比要求的船舶規(guī)定進(jìn)行波浪載荷的直接計(jì)算，對(duì)于具有大外飄的船舶，可要求考慮砰擊引起的附加彎矩[1]。對(duì)于載運(yùn)特殊貨物的船舶或非常規(guī)船型船舶，應(yīng)根據(jù)貨物特性或船型作直接計(jì)算確定；若不能進(jìn)行直接計(jì)算則需通過船模試驗(yàn)綜合確定設(shè)計(jì)載荷。

LR船級(jí)社[4–5]針對(duì)氣墊船類的非排水型船和軍船由Slamming effect引起的船體波浪動(dòng)彎矩值有具體規(guī)定，而且后者的軍船規(guī)范中明確的將波浪彎矩、首外飄砰擊彎矩、波浪動(dòng)彎矩分別予以具體描述和規(guī)定，其清晰地將波浪彎矩之外的波浪載荷成份區(qū)分為船體內(nèi)在（首外飄等）和外在（航速、波高等）兩大類，并明確要求將三者中的大者用于船體總縱強(qiáng)度校核。但目前大部分海船規(guī)范對(duì)不符合主尺度比要求的船舶波浪載荷的考慮并不具體和明確，尚處于不完善的狀態(tài)，停留在“case by case”或“special consideration”階段，對(duì)需計(jì)及的非線性因素也無統(tǒng)一明確的規(guī)定。

目前工程上亟需解決的是非常規(guī)主尺度比船型下船體波浪載荷設(shè)計(jì)值的最終確定，并非目前規(guī)范上籠統(tǒng)的涉及和簡單描述；船體波浪載荷設(shè)計(jì)值是船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的輸入，根本上決定著船體結(jié)構(gòu)尤其是非常規(guī)主尺度比船型船體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方向。本文研究的非常規(guī)主尺度比船方型系數(shù)Cb小于0.6，其余主尺度比均滿足規(guī)范要求；型線變化迅速，首部大外飄，航速和作業(yè)海況要求均較高；鑒于所研究船型的特點(diǎn)，目標(biāo)船的波浪載荷研究綜合以下各方面進(jìn)行：

1）按照CCS《鋼質(zhì)海船入級(jí)規(guī)范》（2015年版）（以下簡稱：CCS規(guī)范）關(guān)于波浪載荷的直接計(jì)算，采用三維線性理論預(yù)報(bào)經(jīng)規(guī)范非線性修正估算；

2）按照CCS規(guī)范關(guān)于波浪載荷等效設(shè)計(jì)波法的直接計(jì)算，由線性理論預(yù)報(bào)極值確定設(shè)計(jì)波，采用三維非線性水彈性理論進(jìn)行短期預(yù)報(bào)估算；

3）采用1∶25和1∶40兩種不同縮尺比船模試驗(yàn)，其中，1∶25縮尺比船模試驗(yàn)著重于對(duì)常規(guī)海況進(jìn)行試驗(yàn)，1∶40縮尺比船模試驗(yàn)著重于對(duì)惡劣海況進(jìn)行試驗(yàn)。

本文立足目標(biāo)船實(shí)際工程，著重于從規(guī)范設(shè)計(jì)出發(fā)，對(duì)船體波浪載荷設(shè)計(jì)值[6]（僅波浪彎矩部分）進(jìn)行綜合研究以探討適合目標(biāo)船的船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)載荷，因而關(guān)于模型試驗(yàn)[7–8]、三維線性理論預(yù)報(bào)、三維非線性水彈性理論預(yù)報(bào)[9]的背景技術(shù)及詳細(xì)內(nèi)容均不予闡述。而且，本文如無特殊聲明，目標(biāo)船模型試驗(yàn)結(jié)果所采用數(shù)據(jù)均在哈爾濱工程大學(xué)的船模拖曳水池和大型海洋工程水池開展進(jìn)行；三維線性理論預(yù)報(bào)結(jié)果值均采用經(jīng)中國船級(jí)社認(rèn)可的基于三維線性勢流理論的波浪載荷計(jì)算軟件COMPASS-WALCS-BASIC進(jìn)行計(jì)算，三維非線性水彈性理論預(yù)報(bào)結(jié)果值均采用經(jīng)中國船級(jí)社認(rèn)可的基于三維非線性水彈性理論的波浪載荷計(jì)算軟件COMPASS-WALCS-NE進(jìn)行計(jì)算。

1 規(guī)范非線性修正

依據(jù)CCS規(guī)范采用三維線性理論預(yù)報(bào)得到的垂向波浪彎矩應(yīng)按下述要求進(jìn)行非線性修正，經(jīng)規(guī)范非線性修正前后的結(jié)果見表1。彎矩沿船長的分布系數(shù)見圖1。

表 1 垂向波浪彎矩值列表Tab. 1 List of vertical wave moment values

其中Cb方型系數(shù)，但計(jì)算取值不應(yīng)小于0.6。

中拱和中垂非線性修正系數(shù)之和：

也就是說規(guī)范對(duì)非線性修正的規(guī)定中，就船中0.4 L～0.6 L之間垂向波浪彎矩的最大值而言，經(jīng)規(guī)范非線性修正后的波浪彎矩全幅值與線性理論直接預(yù)報(bào)極值的全幅值相等，其比值為1.0。

2 三維非線性理論預(yù)報(bào)

由三維線性理論預(yù)報(bào)極值得到的目標(biāo)船北大西洋海況10–8超越概率水平下的設(shè)計(jì)波高綜合目標(biāo)船耐波性和增阻試驗(yàn)，計(jì)算目標(biāo)船非線性理論短期預(yù)報(bào)極值的設(shè)計(jì)波波高14 m，航速0～8 kn，其三維非線性水彈性理論預(yù)報(bào)波浪彎矩最大值結(jié)果見表2。

由表2可知：

1）目標(biāo)船在14 m波高下除出現(xiàn)低頻波浪彎矩的弱非線性效應(yīng)外，同時(shí)出現(xiàn)高頻強(qiáng)非線效應(yīng)；而且目標(biāo)船的強(qiáng)非線性效應(yīng)從量級(jí)上不容忽視；

2）目標(biāo)船在14 m波高下的中拱波浪彎矩非線性需引起重視；

3）目標(biāo)船隨浪工況14 m波高下垂向彎矩線性理論計(jì)算結(jié)果與非線性理論下垂向彎矩計(jì)算結(jié)果基本吻合，說明目標(biāo)船隨浪工況下的非線性效應(yīng)不明顯；迎浪工況14 m波高下的非線性理論計(jì)算結(jié)果值要明顯大于線性理論計(jì)算結(jié)果，說明目標(biāo)船迎浪工況下的非線性效應(yīng)非常明顯，且量級(jí)上不可忽略；目標(biāo)船在14 m波高下不同浪向的不同非線性現(xiàn)象不容忽視；

4）目標(biāo)船14 m波高0 kn航速下合成波浪彎矩全幅值為規(guī)范非線性修正全幅值的1.30倍；低頻波浪彎矩全幅值為規(guī)范非線性修正全幅值的0.88倍；說明規(guī)范對(duì)非線性效應(yīng)的修正并不適用于目標(biāo)船。

進(jìn)一步，設(shè)計(jì)波波高9 m航速10 kn以上的三維非線性水彈性理論預(yù)報(bào)波浪彎矩最大值結(jié)果見表3。

由表3可知：

1）目標(biāo)船在9 m波高下除出現(xiàn)低頻波浪彎矩的非線性效應(yīng)外，同時(shí)出現(xiàn)高頻強(qiáng)非線效應(yīng)；而且從數(shù)據(jù)來看，目標(biāo)船的強(qiáng)非線性效應(yīng)不容忽視；

2）目標(biāo)船在9 m波高下合成波浪彎矩全幅值（10 kn航速）為規(guī)范非線性修正全幅值的1.12倍；低頻波浪彎矩全幅值（10 kn航速）為規(guī)范非線性修正全幅值的0.73倍；進(jìn)一步說明規(guī)范對(duì)非線性效應(yīng)的規(guī)定并不適用于目標(biāo)船。

表 2 理論垂向波浪彎矩最大值（波高14 m）Tab. 2 Theoretical maximum wave bending moment （wave height 14 m）

表 3 理論垂向波浪彎矩最大值（波高9 m）Tab. 3 Theoretical maximum wave bending moment （wave height 9 m）

3 模型試驗(yàn)

在船模的設(shè)計(jì)中，為保證船模的彈性效應(yīng)與實(shí)船相似，采用變截面分段船體梁模型，將船模分割為若干分段，各分段與等效船體梁固定，通過測試船體梁上的應(yīng)變來得到船模的波浪載荷，設(shè)計(jì)海況下的波浪載荷模型試驗(yàn)結(jié)果見表4，典型模型試驗(yàn)結(jié)果見圖2，模型試驗(yàn)結(jié)果與理論預(yù)報(bào)結(jié)果比較見圖3，船模試驗(yàn)合成波浪彎矩全幅值與規(guī)范非線性修正全幅值之比隨波高的變化見圖4。

船模試驗(yàn)結(jié)果表明：

1）目標(biāo)船14 m波高，8 kn航速下模型試驗(yàn)結(jié)果的合成彎矩全幅值為規(guī)范非線性修正全幅值的1.47倍；目標(biāo)船9.6 m波高，16 kn航速下模型試驗(yàn)結(jié)果的合成彎矩全幅值為規(guī)范非線性修正全幅值的1.50倍；目標(biāo)船8.8 m波高，16 kn航速下模型試驗(yàn)結(jié)果的合成彎矩全幅值為規(guī)范非線性修正全幅值的1.04倍；

2）目標(biāo)船14 m波高，8 kn航速下模型試驗(yàn)結(jié)果的低頻彎矩全幅值為規(guī)范非線性修正全幅值的0.70倍；目標(biāo)船9.6 m波高，16 kn航速下模型試驗(yàn)結(jié)果的低頻彎矩全幅值為規(guī)范非線性修正全幅值的0.66倍；目標(biāo)船8.8 m波高，16 kn航速下模型試驗(yàn)結(jié)果的低頻彎矩全幅值為規(guī)范非線性修正全幅值的0.48倍；

3）模型試驗(yàn)結(jié)果顯示，目標(biāo)船8 kn航速下，波高大于約8.7 m時(shí)，出現(xiàn)不同于規(guī)范的非線性；16 kn航速下，波高大于約7.5 m時(shí)，目標(biāo)船出現(xiàn)不同于規(guī)范的非線性；22 kn航速下，波高大于約7 m時(shí)，目標(biāo)船出現(xiàn)不同于規(guī)范的非線性；

4）模型試驗(yàn)結(jié)果和三維非線性水彈性理論預(yù)報(bào)結(jié)果基本吻合，并共同證實(shí)了規(guī)范對(duì)非線性效應(yīng)的規(guī)定并不適用于目標(biāo)船。

4 非線性現(xiàn)象綜合研究

為進(jìn)一步研究目標(biāo)船發(fā)生非線性行為的規(guī)律，綜合目標(biāo)船耐波性和增阻試驗(yàn)，本文綜合三維非線性水彈性理論預(yù)報(bào)結(jié)果研究目標(biāo)船波浪載荷隨波高、航速變化的非線性效應(yīng)，計(jì)算工況見表5。

表 4 模型試驗(yàn)垂向波浪彎矩最大值Tab. 4 The maximum vertical bending moment of model test

波浪彎矩隨波高變化及合成波浪彎矩全幅值與規(guī)范非線性修正全幅值之比隨波高的變化分別見圖5～圖7。

由以上計(jì)算結(jié)果及趨勢圖可知：

1）8 kn航速波高大于8 m時(shí)，目標(biāo)船中垂波浪彎矩的非線性效應(yīng)增加明顯；波高大于10 m時(shí)，中拱波浪彎矩也出現(xiàn)明顯的非線性； 8 kn航速波高大于約8.8 m時(shí)，目標(biāo)船出現(xiàn)不同于規(guī)范的非線性；

2）16 kn航速波高大于6 m時(shí)，目標(biāo)船中垂波浪彎矩非線性效應(yīng)增加明顯；波高大于約7.4 m時(shí)，目標(biāo)船出現(xiàn)不同于規(guī)范的非線性；

3）波高9 m計(jì)算航速下，目標(biāo)船的中垂波浪彎矩非線性效應(yīng)增加明顯；波高14 m時(shí)，中拱波浪彎矩出現(xiàn)非常明顯的非線性效應(yīng)，目標(biāo)船在14 m大波高下波浪載荷均呈現(xiàn)明顯的非線性。

表5計(jì)算工況Tab. 5 Calculation conditions

5 結(jié) 語

本文從規(guī)范對(duì)不符合主尺度比要求的船舶船體波浪載荷規(guī)定出發(fā)，以波浪彎矩全幅值與規(guī)范非線性修正全幅值之比為基礎(chǔ)，通過模型試驗(yàn)、理論預(yù)報(bào)與模型試驗(yàn)比較、非線性現(xiàn)象綜合研究為目標(biāo)船船體波浪載荷的設(shè)計(jì)值確定奠定了理論及試驗(yàn)基礎(chǔ)；目標(biāo)船船體波浪載荷非線性效應(yīng)隨波高或航速的增大明顯增強(qiáng)，且隨浪向變化，在大波高環(huán)境下，目標(biāo)船中拱和中垂波浪彎矩均需計(jì)入非線性；著重于探討了方型系數(shù)較小，型線變化迅速，首部大外飄船型的船體波浪載荷隨波高或航速變化而呈現(xiàn)的非線性規(guī)律，同時(shí)在高海況、高航速下呈現(xiàn)出的不同于規(guī)范的非線性現(xiàn)象。

本文并未對(duì)砰擊彎矩和波浪動(dòng)彎矩在非常規(guī)主尺度比船波浪載荷上的具體體現(xiàn)進(jìn)行嚴(yán)格區(qū)分，僅從目標(biāo)船呈現(xiàn)的不同于規(guī)范規(guī)定的非線性現(xiàn)象出發(fā)，對(duì)目前規(guī)范基于的波浪載荷線性理論預(yù)報(bào)進(jìn)行非線性修正的統(tǒng)一規(guī)定提出明確化、詳細(xì)化的修改建議；同時(shí)，希望本文的工作能對(duì)學(xué)術(shù)界波浪載荷的砰擊彎矩和波浪動(dòng)彎矩的進(jìn)一步理論研究提供工程支撐。

[1]CCS中國船級(jí)社. 鋼質(zhì)海船入級(jí)規(guī)范[S], CCS, 2015.

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The study of wave loads about small block coefficient ships

SUN Xue-rong1, WANG Zhan-jun1, PENG Ya-kang2
(1. Marine Design and Research Institute of China, Shanghai 200011, China; 2. Harbin Engineering University, College of Shipbuilding Engineering, Harbin 150001, China)

The paper studied wave loads about unconventional ships using theory prediction and model test combination methods based on rule requirements, which CB coefficient is less than 0.6 and navigations on high speed and very high or phenomenal sea. The sum of modified rule absolute values between hogging and sagging vertical wave bending moments is equal to the complete data of linear predications. For the target small block coefficient ships, the results of model test and nonlinear elastic theory prediction both illustrate strong nonlinear effects about wave loads, and the strong nonlinear effects is smartly different from the rule’s nonlinear effects. So the specific requirements and regulations about nonlinear effects for small block coefficient ships should be clarified by the rule.

wave loads；model test；elastic theory；nonlinear effect；impact bending moment；dynamic bending moment

U662.1

A

1672 – 7649(2017)08 – 0017 – 05

10.3404/j.issn.1672 – 7649.2017.08.004

2017 – 02 – 20

孫雪榮(1979 – )，女，高級(jí)工程師，從事船舶結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析及振動(dòng)噪聲研究。