宋揚 劉亞東
摘 要:以兩型5000噸級公務(wù)船為例,介紹了波浪載荷預報的方法和原理,并通過直接計算得到兩型船的垂向波浪彎矩、剪力長期預報值,再將波浪載荷預報值與中國船級社規(guī)范值進行對比分析,探究波浪載荷預報對中大型公務(wù)船總縱強度的影響,為后續(xù)類似船型開發(fā)設(shè)計提供參考。
關(guān)鍵詞:波浪載荷預報;公務(wù)船;總縱強度
中圖分類號:U662? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼:A? ? ? ? ? ? 文章編號:1006—7973(2021)01-0148-03
隨著海洋戰(zhàn)略的實施,近年來我國投資興建了一系列公務(wù)船,功能多樣、種類齊全,極大地增強了維護國家海洋權(quán)益的實力。隨著公務(wù)船大型化的發(fā)展、使命任務(wù)的增加以及船體輕量化的要求,公務(wù)船的總縱強度成為設(shè)計過程中需要重點關(guān)注的方面。
中國船級社(后簡稱CCS)《鋼制海船入級規(guī)范》在船體總縱強度部分明確規(guī)定對于具有表1所列一個或多個特征的船舶,應(yīng)采用直接計算的方法確定該船的波浪載荷。
受使命任務(wù)限制,部分公務(wù)船滿足波浪載荷直接計算的特征,需進行波浪載荷預報,該文以兩型5000噸級公務(wù)船為例,其主尺度如表2所列,探究波浪載荷預報對中大型公務(wù)船總縱強度的影響。
1計算原理
建立船體的三維濕表面模型和質(zhì)量模型,按照三維繞輻射勢流理論,計算作用在船體上的流體動力,獲得波浪誘導的船體剖面剪力和彎矩載荷響應(yīng)的傳遞函數(shù)。再通過短期預報和長期預報,得到船體波浪剪力和彎矩的設(shè)計值,為目標船的結(jié)構(gòu)設(shè)計和強度校核提供參考依據(jù)。
1.1計算參數(shù)
1.1.1規(guī)則波響應(yīng)計算參數(shù)
(1)波浪頻率:0.1-2.5rad/s,以0.05 rad/s為間隔;
(2)浪向:0-180°,以15°為間隔;
(3)航速:0 kn;
(4)水深:無限水深。
1.1.2長期預報計算參數(shù)
(1)概率水平:10-8 ;
(2)波浪譜:海浪譜選用P-M譜,如公式1所示,
其中,Hs表示有義波高,Tz表示平均跨零周期。
(3)海浪散布圖:按照CCS《鋼質(zhì)海船入級規(guī)范》2018要求選取北大西洋波浪散布圖,如圖1所示。
1.2 三維水動力模型
采用挪威船級社開發(fā)的通用軟件HydroD(WADAM)/POSTRESP,根據(jù)兩條船的型線分別建立A船、B船的三維濕表面模型,具體如圖2、圖3所示,形狀變化較大區(qū)域的網(wǎng)格進行適當加密。
全船的質(zhì)量分布通過質(zhì)量點來模擬,采用簡化的質(zhì)量模型,即每個肋位的質(zhì)量等價于左右舷兩個質(zhì)量點和連接兩質(zhì)量點的零質(zhì)量棒,質(zhì)量點的垂向位置為對應(yīng)工況的全船重心高度,零質(zhì)量棒的長度為對應(yīng)工況的橫搖慣性半徑的兩倍。
1.3傳遞函數(shù)
傳遞函數(shù)是指船體在單位波幅的規(guī)則波作用下的響應(yīng)。船體響應(yīng)包括船體六個自由度的運動(縱蕩、橫蕩、升沉、橫搖、縱搖和首搖),波浪作用在船體外殼上的波動壓力,波浪誘導的剖面載荷(波浪彎矩、剪力或扭矩等)以及由于船體運動引起的慣性力和加速度等。
船體重心處運動響應(yīng)的傳遞函數(shù)通過求解規(guī)則波中的船體運動方程獲得,之后可以按照達朗伯原理進一步計算船體剖面載荷響應(yīng)的傳遞函數(shù)。
2波浪載荷預報
在獲得船體剖面載荷響應(yīng)的傳遞函數(shù)后,即可結(jié)合短期海況的海浪譜計算其響應(yīng)譜,大量的實踐表明,船體運動與波浪載荷幅值的短期響應(yīng)服從Rayleigh分布,這樣便可獲得船體剖面載荷響應(yīng)短期預報的各種統(tǒng)計值,包括均值、有義值、十一值等。而船體剖面載荷響應(yīng)的長期分布由各響應(yīng)的短期分布擬合求得,最終獲得指定超越概率水平的波浪載荷響應(yīng)的長期極值。
選取滿載出港和壓載到港兩種典型裝載工況進行長期預報,得到A、B兩船沿船長分布的垂向波浪剪力和垂向波浪彎矩,如圖4~圖7所示。
由圖4~圖7的對比中可知兩型5000噸級公務(wù)船在垂向波浪彎矩、剪力的分布上具有高度的相似性,并可獲得兩種典型工況下船中0.4L至0.6L區(qū)域的垂向波浪彎矩峰值以及首尾區(qū)域的兩個垂向波浪剪力峰值,如表3所示。
通過線性波浪理論直接計算得到的波浪載荷是線性的,需要按照CCS規(guī)范要求進行非線性修正,從而得到中拱、中垂狀態(tài)下的波浪彎矩以及波浪剪力,再將修正后的波浪載荷預報結(jié)果與通過CCS規(guī)范公式計算得到的波浪彎矩、剪力峰值進行對比,如表4所示。
由表4可知:
(1)波浪載荷預報對兩型船波浪彎矩的影響不同,A船增加約20%,B船幾乎無影響;
(2)兩型船波浪載荷預報得到的波浪剪力值都大幅增加,A船增加約62%,B船增加約40%。
3 結(jié)論
通過對兩型5000噸級公務(wù)船進行波浪載荷預報和對比分析可以得出以下結(jié)論:
波浪載荷預報結(jié)果和船型主尺度相關(guān),對短而寬且型深較大的A船影響更大,垂向波浪彎矩和剪力都大幅增加,對長而窄的B船僅影響垂向波浪剪力;
由于船體結(jié)構(gòu)輕量化的要求,中大型公務(wù)船總縱強度裕度越來越小,對于滿足波浪載荷直接計算特征的公務(wù)船,在前期設(shè)計階段須考慮其對總縱強度的影響,避免后期方案修改,兩型船波浪載荷預報結(jié)果可供后續(xù)類似船型參考。
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