楊子恒，謝永和

(浙江海洋大學(xué)船舶與機(jī)電工程學(xué)院，浙江舟山 316022)

船舶是在波浪環(huán)境中作業(yè)營(yíng)運(yùn)的，對(duì)作用在船體上波浪載荷的計(jì)算是評(píng)估整船強(qiáng)度安全的前提，也是設(shè)計(jì)耐波性良好船舶的基礎(chǔ)[1]。目前，對(duì)于大中型船舶波浪載荷的計(jì)算，可采用CCS的相關(guān)規(guī)范[2]對(duì)波浪彎矩和剪力等參數(shù)進(jìn)行公式計(jì)算，但是對(duì)中小型船舶尤其是中小型的遠(yuǎn)洋漁船波浪載荷的計(jì)算還未有相應(yīng)的規(guī)范計(jì)算。而目前，利用有限元軟件對(duì)整船的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行分析與評(píng)估已較為成熟，國(guó)內(nèi)已有不少學(xué)者通過(guò)各類方法預(yù)報(bào)船型的波浪載荷，并通過(guò)設(shè)計(jì)波法確定船型受到的波浪載荷，進(jìn)而利用通用有限元軟件對(duì)船型的整體強(qiáng)度進(jìn)行研究和分析[3-7]，但是對(duì)于漁船這類特殊船型直接計(jì)算和研究還較為少見(jiàn)。因此，有必要對(duì)中小型遠(yuǎn)洋漁船的波浪載荷長(zhǎng)期預(yù)報(bào)進(jìn)行計(jì)算與研究，為中小型遠(yuǎn)洋漁船船型的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算提供參考。

本文以53 m遠(yuǎn)洋秋刀魚(yú)船為研究對(duì)象，利用SESAM軟件[8-9]并選擇航行作業(yè)區(qū)域的西北太平洋波浪譜對(duì)其進(jìn)行了波浪載荷水平彎矩和垂直彎矩兩個(gè)控制參數(shù)的長(zhǎng)期預(yù)報(bào)，分析了不同裝載情況、浪向角等對(duì)預(yù)報(bào)值的影響。

1 目標(biāo)船型和水動(dòng)力計(jì)算模型

本船為鋼質(zhì)、單層甲板、雙層底、單機(jī)、單槳、艉機(jī)型船型，主要在西北太平洋海區(qū)從事秋刀魚(yú)捕撈作業(yè)，其主要參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 船型主要參數(shù)表Tab.1 The main dimensions and parameters of ship

采用SESAM的GeniE模塊建立目標(biāo)船型的水動(dòng)力模型，X方向指向船首，Y方向指向船體左舷，Z方向垂直向上，坐標(biāo)原點(diǎn)位于艉垂線和基線的交點(diǎn)，肋骨間距0.50 m，如圖1所示。

圖1 濕表面模型Fig.1 Panel model

圖2 質(zhì)量模型Fig.2 Mass model

同時(shí)通過(guò)對(duì)船型內(nèi)各種重量的模擬建立質(zhì)量模型，并對(duì)照實(shí)船裝載計(jì)算書(shū)和實(shí)際船舶的重量分布資料調(diào)整模型的重心和重量，使整船模型質(zhì)量與船舶靜水浮態(tài)相匹配，如圖2所示。

2 載荷預(yù)報(bào)的參數(shù)選擇

2.1 計(jì)算剖面的選擇

本文主要研究漁船船體縱向方向上橫截面處的彎矩等船體端面外載荷，選取了24個(gè)橫截面，選取剖面的位置如圖3所示。

圖3 橫截面位置Fig.3 The locations of load cross sections

2.2 波浪散布圖的選擇

在波浪載荷的預(yù)報(bào)中，我們通常根據(jù)目標(biāo)船型的實(shí)際作業(yè)海域來(lái)選擇合適的波浪統(tǒng)計(jì)資料來(lái)作為船型運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的海浪環(huán)境參數(shù)。本文波浪載荷預(yù)報(bào)海況采用西北太平洋海域中海況最嚴(yán)重的海區(qū)NW15(160°-170°E，35°-60°N)的海浪長(zhǎng)期統(tǒng)計(jì)分布資料[10]。

2.3 波浪參數(shù)的選擇

2.3.1 浪向角的選擇

在計(jì)算波浪載荷響應(yīng)過(guò)程中，在0°～180°的范圍內(nèi)選取13個(gè)浪向角，其間隔為15°，每個(gè)浪向均有0.076 92的概率作用在船體上。

2.3.2 計(jì)算頻率的選取

按照波長(zhǎng)與船長(zhǎng)比0.2～2.0的范圍內(nèi)選取，步長(zhǎng)取0.05，共37個(gè)。波長(zhǎng)則通過(guò)式(1)進(jìn)行計(jì)算。

3 結(jié)果分析

根據(jù)目標(biāo)船型的裝載計(jì)算書(shū)及文獻(xiàn)[11]，本文選取了豐收返港、捕魚(yú)中、空載到港3個(gè)典型裝載工況來(lái)分析研究秋刀魚(yú)船的波浪載荷響應(yīng)。

3.1 波浪載荷沿船長(zhǎng)分布

圖4和圖5為利用西北太平洋NW15的波浪散布圖進(jìn)行波浪載荷預(yù)報(bào)后，波浪彎矩沿船長(zhǎng)方向的分布情況。

圖4 垂向波浪彎矩沿船長(zhǎng)分布Fig.4 The distribution of VWBM along ship length

圖5 水平波浪彎矩沿船長(zhǎng)分布Fig.5 The distribution of HWBM along ship length

從圖4可以看出，空載到港、捕魚(yú)中、豐收返港工況的垂向波浪彎矩變化由艉至艏均呈現(xiàn)減小后增大再減小的趨勢(shì)，在距尾垂線3 m左右出現(xiàn)了1個(gè)極小值。而最大值均出現(xiàn)在船中偏尾的位置，豐收返港工況的垂向波浪彎矩普遍比空載到港工況大，而捕魚(yú)中工況的數(shù)值則基本位于兩者之間。

而在水平彎矩的分布上(圖5)，3工況彎矩的最大值所在的位置依次向艉部偏移。在船尾至0.20L范圍內(nèi)，捕魚(yú)中工況的水平彎矩普遍高于空載到港而低于豐收返港工況；在其它船長(zhǎng)范圍內(nèi)，空載到港的水平彎矩均大于另2種工況，而豐收返港的彎矩則最小。

3.2 主要載荷參數(shù)長(zhǎng)期預(yù)報(bào)值

圖6和圖7給出了秋刀魚(yú)船在豐收返港、捕魚(yú)中、空載到港3個(gè)工況下某截面上水平彎矩和垂向彎矩2個(gè)主要載荷控制參數(shù)不同重現(xiàn)期的預(yù)報(bào)極值和超越概率水平10-8下的預(yù)報(bào)極值。

圖6 水平波浪彎矩長(zhǎng)期預(yù)報(bào)值Fig.6 Long term prediction value of HWBM

圖7 垂直波浪彎矩長(zhǎng)期預(yù)報(bào)值Fig.7 Long term prediction value of VWBM

由圖5及圖6對(duì)比，在同一重現(xiàn)期或超越概率下豐收返港的垂向波浪彎矩的預(yù)報(bào)極值均大于空載到港，而其水平彎矩的預(yù)報(bào)極值則均小于空載到港的預(yù)報(bào)極值，而捕魚(yú)中工況的預(yù)報(bào)極值則位于兩者之間。同時(shí)，計(jì)算得到的超越概率10-8下的水平彎矩的預(yù)報(bào)極值均大于重現(xiàn)期10 a的預(yù)報(bào)極值且接近重現(xiàn)期20 a的預(yù)報(bào)極值，部分極值甚至大于重現(xiàn)期50 a的預(yù)報(bào)極值。

3.3 浪向角及截面位置對(duì)波浪載荷的影響

圖8和圖9為目標(biāo)船型在豐收返港和空載到港工況下的各主要載荷控制參數(shù)在重現(xiàn)期100 a下的的長(zhǎng)期預(yù)報(bào)極值在不同浪向角上的分布。

圖8 垂直波浪彎矩在不同浪向的分布Fig.8 Vertical bending moment of in different wave directions

圖9 水平波浪彎矩在不同浪向的分布Fig.9 Horizontal bending moment in different wave directions

從圖8可以看出：3種工況垂直彎矩的預(yù)報(bào)極值均出現(xiàn)在浪向角為0°或180°時(shí)，即目標(biāo)船型在迎浪或順浪航行時(shí)垂直彎矩最大，同時(shí)隨浪向趨近橫浪時(shí)呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)，在橫浪時(shí)達(dá)到小波峰。在此截面上，豐收返港的垂直波浪彎矩在大部分的浪向上均大于空載到港，但在65°至110°左右時(shí)小于空載到港。而捕魚(yú)中工況基本處于兩者之間，但在浪向65°至90°左右時(shí)大于另2種工況。船型在此截面上各工況的垂直彎矩的極大值均出現(xiàn)在浪向角為180°的時(shí)候，即順浪航行時(shí)。

而在水平彎矩上(圖9)，隨著浪向趨于橫浪，3種工況的水平彎矩逐漸增大，且空載到港的水平彎矩在各個(gè)浪向角上均大于豐收返港，而捕魚(yú)中工況的水平彎矩則大于豐收返港小于空載到港。在此截面上，各工況水平彎矩的最大值均出現(xiàn)在浪向角為90°即橫浪航行的狀態(tài)下。

3.4 橫傾作業(yè)工況的波浪載荷預(yù)報(bào)

由于秋刀魚(yú)船舷外抄網(wǎng)到船中網(wǎng)囊卸魚(yú)是一個(gè)動(dòng)態(tài)變化的過(guò)程，這一過(guò)程會(huì)導(dǎo)致船體一定時(shí)間內(nèi)不同橫傾情況的產(chǎn)生。同時(shí)，網(wǎng)具伸出舷外的重量以及起吊魚(yú)獲物網(wǎng)囊的重量變化難以估算，起網(wǎng)時(shí)船型的橫傾角也難以計(jì)算。因此，本小節(jié)以捕魚(yú)中工況的裝載條件為基礎(chǔ)，假定橫傾5°和10°2個(gè)橫傾角來(lái)簡(jiǎn)單模擬舷側(cè)起網(wǎng)時(shí)船型的橫傾狀態(tài)，并通過(guò)在質(zhì)量模型中加載船型外的質(zhì)量點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)模型的橫傾，分析橫傾角對(duì)波浪載荷預(yù)報(bào)的影響。

計(jì)算中各類參數(shù)的選取與上文保持一致，得到的各截面水平彎矩和垂向彎矩如圖10和圖11所示。

圖10 垂向波浪彎矩沿船長(zhǎng)分布Fig.10 The distribution of VWBM along ship length

圖11 水平波浪彎矩沿船長(zhǎng)分布Fig.11 The distribution of HWBM along ship length

從圖10可以看出：3種狀態(tài)下，垂向波浪彎矩沿船長(zhǎng)方向的分布趨勢(shì)保持一致，船型橫傾角的變化對(duì)垂向彎矩?zé)o較大的影響，三者垂向彎矩的最大值均在船中區(qū)域。而在船中范圍內(nèi)橫傾角10°的垂直彎矩略大于橫傾角5°狀態(tài)，而此處無(wú)橫傾狀態(tài)的彎矩最小。

在水平波浪彎矩方面(圖11)，三種狀態(tài)都呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，且最大值位于船中靠艉的區(qū)域內(nèi)。在船尾區(qū)域內(nèi)，無(wú)橫傾狀態(tài)的水平彎矩大于橫傾狀態(tài)的彎矩；在船中偏艉區(qū)域，隨著橫傾角的增大，水平波浪彎矩也逐漸增大；而在船首范圍內(nèi)，橫傾角的變化對(duì)水平彎矩?zé)o明顯的影響。

4 小結(jié)

本文基于西北太平洋海域海區(qū)NW15的波浪統(tǒng)計(jì)資料的環(huán)境參數(shù)，利用DNV SESAM軟件對(duì)秋刀魚(yú)船的典型工況進(jìn)行了水平和垂直彎矩2個(gè)控制參數(shù)下波浪載荷的長(zhǎng)期預(yù)報(bào)，得到了不同重現(xiàn)期和概率水平10-8下的預(yù)報(bào)極值，同時(shí)研究了不同浪向角對(duì)船型波浪載荷和船體運(yùn)動(dòng)預(yù)報(bào)的影響。此外，本文還通過(guò)假定橫傾角的方法來(lái)模擬舷側(cè)抄網(wǎng)時(shí)船型橫傾的狀態(tài)，分析了船型不同橫傾角對(duì)波浪載荷預(yù)報(bào)的影響。本文的研究能夠?yàn)橹行⌒瓦h(yuǎn)洋漁船的波浪載荷計(jì)算尤其是考慮漁船作業(yè)情況下波浪載荷的預(yù)報(bào)提供一定的參考，同時(shí)也為下一步進(jìn)行船型結(jié)構(gòu)強(qiáng)度直接計(jì)算與疲勞分析打下基礎(chǔ)。