吳俊濤

（北海啟航船舶設(shè)計(jì)有限公司，廣西北海 536000）

0 引言

雙體船因具有寬大的甲板面積、良好的阻力性能及穩(wěn)性而備受歡迎。然而，雙體船在船體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、強(qiáng)度校核以及波浪載荷預(yù)報(bào)方面給設(shè)計(jì)者帶來(lái)了諸多挑戰(zhàn)。通常，雙體船兩側(cè)的片體通過(guò)中間的連接橋加以連接而形成一個(gè)整體，而營(yíng)運(yùn)過(guò)程中在連接橋以及片體的甲板面上均裝載貨物，連接橋承受較大的波浪扭矩和橫向波浪彎矩作用。因此，雙體船連接橋的波浪載荷計(jì)算是雙體船設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容之一。而然，相比于設(shè)計(jì)較為成熟的高速雙體船而言，雙體甲板運(yùn)輸船則為低速雙體船（尤其是尺度較大的低速雙體船），其設(shè)計(jì)方法還未成熟。

目前，中國(guó)船級(jí)社發(fā)布的《國(guó)內(nèi)航行海船建造規(guī)范》[1]中并未給出關(guān)于船長(zhǎng)大于60 m的低速雙體船波浪載荷計(jì)算的具體方法。以往是參照《海上高速船入級(jí)與建造規(guī)范》[2]中關(guān)于高速雙體船的規(guī)范公式來(lái)計(jì)算的，但這顯然不合適。對(duì)于低速雙體船而言，需要有一套適用于其自身特點(diǎn)的波浪載荷計(jì)算方法，這樣才能全面地計(jì)算其載荷大小并評(píng)估船體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。本文以某67.2 m雙體甲板運(yùn)輸船為例，使用DNV GL的SESAM軟件對(duì)其波浪載荷進(jìn)行直接計(jì)算分析，并對(duì)比分析采用“規(guī)范方法”與“直接計(jì)算方法”得到的波浪載荷值，為低速雙體船的波浪載荷計(jì)算提供參考與指導(dǎo)。

1 船體參數(shù)

67.2 m雙體甲板運(yùn)輸船船體主要參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 船體主要參數(shù)

一般而言，B/D不宜超過(guò)2.5，本船的B/D為5.533，說(shuō)明還需重點(diǎn)關(guān)注船體的橫向強(qiáng)度。此外，就雙體船的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)而言，連接橋結(jié)構(gòu)會(huì)受到較大的波浪扭矩和橫向波浪彎矩作用，因此需要重點(diǎn)關(guān)注橫向載荷的計(jì)算。其次，本船的L/D為 21.33，而常規(guī)船舶的L/D一般控制在 15以內(nèi)。因此，縱向波浪彎矩也是本船需要重點(diǎn)考察的內(nèi)容。

2 波浪載荷的直接計(jì)算方法

雙體船的波浪載荷計(jì)算內(nèi)容主要包括：縱向波浪彎矩、波浪扭矩和橫向波浪彎矩。波浪載荷的直接計(jì)算是基于三維線性勢(shì)流理論進(jìn)行的[3]。首先，采用水動(dòng)力分析軟件SESAM的GeniE模塊建立船舶的外殼模型和各載況下的質(zhì)量模型。其次，在SESAM的HydroD模塊中導(dǎo)入外殼模型生成水動(dòng)力模型，并附加各載況下的質(zhì)量模型，計(jì)算船體在單位波幅規(guī)則波中的水動(dòng)力響應(yīng)。最后，在SESAM的Postresp模塊中根據(jù)船舶航行區(qū)域的波浪散布圖采用統(tǒng)計(jì)的方法得出船舶的各向波浪載荷計(jì)算值[5-6]。

2.1 水動(dòng)力模型的建立

將 GeniE模塊中建立的船體外殼模型導(dǎo)入HydroD中即可生成水動(dòng)力模型（Panel模型），設(shè)定吃水后程序則自動(dòng)將水線以下的外板單元定義為濕表面。坐標(biāo)系統(tǒng)采用右手坐標(biāo)系，原點(diǎn)位于 Fr0船底中線處，在x軸向船首為正方向，y軸向左舷為正方向，z軸向上為正方向，GeniE和HydroD環(huán)境下的Panel模型如圖1和圖2所示。

圖1 GeniE環(huán)境下的Panel模型（一半）

圖2 HydroD環(huán)境下的Panel模型

2.2 質(zhì)量模型的建立

根據(jù)穩(wěn)性計(jì)算書可知每種裝載工況下的重量分布，采用SESAM/GeniE，分別建立了相應(yīng)的質(zhì)量模型。根據(jù)重量分布資料，質(zhì)量模型是以質(zhì)量棒的形式加在船體重心所在水平面上的，按照其重量分布，將該船的重量分布在船長(zhǎng)上。本文建立了14種裝載工況的質(zhì)量（mass）模型，其中工況1～10的貨物在船寬方向均勻分布，見(jiàn)圖3；工況11～12的貨物只分布于連接橋上，見(jiàn)圖4；工況13～14的貨物只分布于片體上并呈對(duì)角布置，見(jiàn)圖5。

圖3 工況1～10質(zhì)量模型示意圖

圖4 工況11～12質(zhì)量模型示意圖

圖5 工況13～14質(zhì)量模型示意圖

2.3 計(jì)算工況及波浪載荷的短期預(yù)報(bào)方法

根據(jù)本船的裝載情況，計(jì)算選取了14個(gè)工況，見(jiàn)表 2。該計(jì)算的目標(biāo)為船體縱向波浪彎矩、橫向波浪彎矩及波浪扭矩。因此，對(duì)應(yīng)選取船體橫剖面上（平行于YZ面）的繞y軸彎矩、船體縱剖面上（平行于XZ面）的繞x軸彎矩及繞y軸彎矩作為主要載荷控制參數(shù)。計(jì)算工況見(jiàn)表 2，各參考截面見(jiàn)圖6和圖7。

圖6 參考橫剖面

圖7 參考縱剖面

表2 計(jì)算工況

基于上述主要載荷控制參數(shù)，在HydroD模塊中計(jì)算船體在單位波幅的規(guī)則波中的水動(dòng)力響應(yīng)（即短期預(yù)報(bào)）。在短期預(yù)報(bào)中，所選規(guī)則波的波浪頻率范圍為0.5 rad/s～2.3 rad/s，步長(zhǎng)取0.05，共選取37個(gè)頻率；0°～180°內(nèi)共選取了13個(gè)浪向角，間隔15°，見(jiàn)圖8。

圖8 浪向角

2.4 波浪載荷的長(zhǎng)期預(yù)報(bào)

長(zhǎng)期預(yù)報(bào)即在短期預(yù)報(bào)的基礎(chǔ)上，結(jié)合波浪散布數(shù)據(jù)采用統(tǒng)計(jì)的方法，得到主要載荷控制參數(shù)的長(zhǎng)期預(yù)報(bào)值。在長(zhǎng)期預(yù)報(bào)中，認(rèn)為所選取的13個(gè)浪向角等概率出現(xiàn)，且波浪譜采用常用的P-M譜[1]，見(jiàn)式（1）。

計(jì)算時(shí)以中國(guó)沿海區(qū)域的波浪散布數(shù)據(jù)建立波浪統(tǒng)計(jì)資料[4]。長(zhǎng)期預(yù)報(bào)結(jié)果為 10-8，超越概率水平下的船體縱向波浪彎矩、橫向波浪彎矩及波浪扭矩。各計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖9、表3和表4。

由計(jì)算結(jié)果可知，縱向波浪彎矩的最大值為4.727×107N·m，出現(xiàn)在LC5工況時(shí)，位置在中橫剖面附近；橫向波浪彎矩的最大值為4.828×106N·m，出現(xiàn)在LC9工況（貨物置于連接橋）時(shí)，位置在中縱剖面處；波浪扭矩的最大值為4.691×107N·m，出現(xiàn)在LC5工況時(shí)，位置在連接橋與片體連接處。

3 波浪載荷的規(guī)范計(jì)算及比較

《海上高速船入級(jí)與建造規(guī)范》中給出了高速雙體船波浪載荷的規(guī)范計(jì)算公式。參照該方法，《國(guó)內(nèi)航行海船建造規(guī)范》給出了船長(zhǎng)小于60 m且主尺度滿足規(guī)范要求的低速雙體船橫向波浪彎矩和波浪扭矩的規(guī)范計(jì)算公式。采用規(guī)范公式來(lái)計(jì)算該船的橫向波浪彎矩和波浪扭矩，并比較規(guī)范計(jì)算值與直接計(jì)算值的差別。

圖9 各工況縱向波浪彎矩沿船長(zhǎng)分布

表3 各工況橫向波浪彎矩（單位：N·m）

表4 各工況波浪扭矩（單位：N·m）

橫向波浪彎矩Mbx按式（2）計(jì)算[1]。

波浪扭矩Mty按式（3）計(jì)算

計(jì)算結(jié)果可知，橫向波浪彎矩的規(guī)范計(jì)算值嚴(yán)重失真，出現(xiàn)了負(fù)值；而波浪扭矩的規(guī)范計(jì)算值則約為直接計(jì)算值的1.4倍。這二者均不能作為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及強(qiáng)度校核的依據(jù)。

由式（2）和式（3）中參數(shù)C1和C2的表達(dá)式分析可知，該船由于型深D偏小，導(dǎo)致參數(shù)C1變成了負(fù)數(shù)，同時(shí)由于型寬B偏大，導(dǎo)致參數(shù)C2接近為 1，由此造成了橫向波浪彎矩規(guī)范計(jì)算值的失真。對(duì)于波浪扭矩Mty，本船船長(zhǎng)略大于60 m，按規(guī)范公式計(jì)算得到的結(jié)果卻約為直接計(jì)算值的 1.4倍。由此可見(jiàn)，規(guī)范公式的適用范圍偏小，對(duì)船舶的主尺度比要求嚴(yán)格，而直接計(jì)算法適用于任何船型，并且能準(zhǔn)確地反應(yīng)出船體的載荷情況。

4 結(jié)論

1）低速雙體船波浪載荷的計(jì)算原理與高速雙體船間具有較大區(qū)別，前者為排水型船舶，波浪載荷多以水動(dòng)壓力的形式表現(xiàn)；后者屬于非排水型船舶，波浪載荷多以波浪沖擊力的形式表現(xiàn)。

2）波浪載荷計(jì)算方法中，規(guī)范方法的適用范圍偏小，對(duì)船舶的主尺度比要求嚴(yán)格，公式的使用具有較大的局限性。對(duì)于低速雙體船，尤其是尺度較大的低速雙體船，須依靠直接計(jì)算方法才能全面準(zhǔn)確地分析其波浪載荷的大小。

3）波浪載荷的直接計(jì)算基于勢(shì)流理論，各載荷的計(jì)算值是在短期預(yù)報(bào)的基礎(chǔ)上結(jié)合船舶實(shí)際航行海域的波浪散布資料，并通過(guò)統(tǒng)計(jì)的方法得到，結(jié)果準(zhǔn)確度高，對(duì)開展結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及強(qiáng)度校核具有重要的指導(dǎo)意義。