黃黎慧 侯遠杭

(1.武漢交通職業(yè)學院，湖北 武漢 430065； 2.大連海事大學，遼寧 大連 116026)

船舶耐波性是船舶在波浪中運動特性的統(tǒng)稱，它包括船舶在波浪中所產(chǎn)生的各種搖蕩運動以及這些運動引起的抨擊、飛濺、上浪、失速、螺旋槳飛車和波浪彎矩變化等性能，直接影響船舶在風浪作用下維持其正常功能的能力，歷來是船舶及其他海洋結(jié)構(gòu)物的設(shè)計和使用者十分關(guān)心的問題。本設(shè)計船為大型軍船，耐波性對其作戰(zhàn)性能更為至關(guān)重要，特別是對飛行甲板上艦載機起降的影響，因此，需要準確地計算出設(shè)計船各自由度運動響應(yīng)幅值并將其控制在合理的范圍內(nèi)。

AQWA軟件主要用于計算船舶與海洋工程的水動力性能問題?？梢越鉀Q浮體在環(huán)境載荷作用下的系泊定位、運動響應(yīng)、海上安裝作業(yè)、波浪載荷傳遞以及船舶航行等方面的問題[1]。其擁有以下特點：

(1)可以計算任意水深；

(2)在計算浮體的波浪力時，可以同時考慮波浪的衍射、輻射和淺水效應(yīng)；

(3)可對浮體結(jié)構(gòu)進行初步設(shè)計；

(4)具有時域非線性分析模塊；

(5)具有頻域線性分析模塊；

(6)考慮多個浮體結(jié)構(gòu)通過纜繩連接時，計算浮體結(jié)構(gòu)的平衡位置；

(7)傳遞壓力和速度結(jié)果到ANSYS或ASAS進行結(jié)構(gòu)響應(yīng)分析。

AQWA具備多樣化的能力和良好的計算精度，基于AQWA的水動力計算可通過經(jīng)典AQWA界面或者ANSYS Workbench界面實現(xiàn)，因此，本文將通過AQWA的Workbench界面來對本設(shè)計船進行水動力計算。

1 模型的建立

1.1 設(shè)計船主要參數(shù)

表1 本設(shè)計船主尺度信息

1.2 模型的導(dǎo)入

由于本設(shè)計船模型已經(jīng)在Maxsurf中建立，如圖1所示。因此，可直接通過igs格式進行模型文件導(dǎo)出，但由于導(dǎo)出的模型不是實體，在Workbench中進行實體化操作較為復(fù)雜且容易出現(xiàn)各種錯誤，文章將導(dǎo)出的igs格式模型文件導(dǎo)入CATIA中，通過CATIA實體化后，再導(dǎo)入Workbench，從而生成設(shè)計船的模型。

圖1 Maxsurf 中建立的模型

在導(dǎo)入的模型中，通過選擇艉封板、甲板封板和船體兩側(cè)的外表面，對其進行法線方向的調(diào)整，保證法線方向正確。對模型進行船體水線切割，由于模型向Z負向移動，吃水為負數(shù)，因此設(shè)置吃水為-9.91 m，如圖2所示。進行水線切割處理的好處是避免出現(xiàn)跨水線的計算單元，因為跨水線的單元在AQWA中是無法正常計算的[2]。

圖2 切割之后的船體模型

2 水動力計算與結(jié)果處理

2.1 參數(shù)設(shè)置

在進行計算前，需要設(shè)置全局變量與浮體質(zhì)量信息、網(wǎng)格設(shè)置與劃分、水動力計算參數(shù)設(shè)置以及模型檢查。

(1)設(shè)置全局變量與浮體質(zhì)量，包括船體的質(zhì)量、重心位置、浮體慣性矩等。本設(shè)計船的排水量為65263 t，則船體質(zhì)量設(shè)為65263 t；重心位置相對于基線面為12.5725 m，則Z值為2.6625 m；重量分布關(guān)于中縱剖面對稱，因此，重心橫向坐標為0 m，而重心縱向坐標Xg(相對于艉垂線)可以認為和船長成正比，其計算公式[3]如下：

Xg=λL

(1)

式中，λ取自母型船，λ=0.49；L為船體長度；Xg為重心縱向位置坐標。

根據(jù)式(1)，計算可得Xg為143.962 m。

慣性半徑Kxx、Kyy、Kzz可通過經(jīng)驗公式估算，經(jīng)驗公式如下：

Kxx=0.35B

(2)

Kyy=0.25L

(3)

Kzz=0.25L

(4)

根據(jù)上式(2)(3)(4)，計算可得Kxx=12.53 m、Kyy=73.5 m、Kzz=73.5 m。

將以上數(shù)值添加到質(zhì)量重心參數(shù)設(shè)置表中，如圖3所示。

(2)網(wǎng)格劃分。設(shè)置網(wǎng)格大小為2 m，生成網(wǎng)格，如圖4所示。

(3)水動力計算參數(shù)設(shè)置(如圖5所示)。取15°為一個間隔，共計算23個波浪方向，最小波浪頻率f根據(jù)經(jīng)驗公式估算[4]:

圖3 質(zhì)量點定義

圖4 網(wǎng)格劃分

圖5 選擇計算的波浪方向及波浪周期

(5)

式中，g為重力加速度，d為水深。根據(jù)式(5)計算，可得f=0.0175 Hz，周期p=57.1428 s，但AQWA的水動力計算周期涵蓋波浪的主要能量范圍為5～30 s，而對于常規(guī)結(jié)構(gòu)物的浮體，該處可設(shè)置為31.4 s。

(4)模型檢查。對模型進行靜水力計算，將計算結(jié)果(如圖6所示)與已有的靜水力表(表2)做對比，如圖6中本設(shè)計船的重心坐標Zg=2.662499(相對于水面)，與表中計算結(jié)果一致；排水體積為63772.805 m3，換算為排水量為65367.125 t,而本設(shè)計船的設(shè)計排水量為65263 t，兩者相差較小；初穩(wěn)性高GM=3.2324715 m，表中估算的初穩(wěn)性高為2.8024，兩者誤差在合理范圍內(nèi)，并且該初穩(wěn)性高滿足本船型初穩(wěn)性高[5]的范圍。由此可知，本設(shè)計船的靜水力計算結(jié)果較為準確，該模型可以用于水動力計算。

圖6 AQWA靜水力計算結(jié)果

2.2橫搖運動結(jié)果分析

對模型進行水動力計算，查看90°浪向下的橫搖RAO計算結(jié)果，如圖7所示。

表2 靜水力計算表

圖7 90°浪向作用下的橫搖RAO

從圖中可發(fā)現(xiàn)，90°浪向作用下船體橫搖RAO幅值達到了8.426 (°)/m，根據(jù)本設(shè)計船型部分耐波性要求[6]可知，橫搖幅值偏大，需要對船體進行橫搖運動方向的黏性阻尼修正。剛體單自由度運動時的臨界阻尼[4]為

(6)

式中，Ixx為橫搖方向慣性質(zhì)量，ΔIxx為附加質(zhì)量慣性質(zhì)量，KRoll為橫搖方向剛度。

本船Ixx=(1.024E+10) kg·m2，KRoll=(3.617E+07) N·m/(°)，橫搖固有周期取18 s，讀取18 s附近的ΔIxx=(4.981E+07) kg·m2，則根據(jù)式(6)可得到D=(1.22E+09) kg·m2/s。

經(jīng)過換算，D=(1.22E+09)×π÷180=(2.128E+07) N·m/(°)/s。而本設(shè)計船的飛行甲板上需要起降艦載機，相較于其他種類的船，其對于耐波性的要求更為嚴格，并且本設(shè)計船具有較大的型深，因此，需要加載較大的橫搖方向的阻尼才能保證耐波性滿足要求，這里將橫搖阻尼定為臨界阻尼的0.8倍，即(1.7024E+07) N·m/(°)/s。添加阻尼系數(shù)，重新進行水動力計算，查看90°波浪作用下的橫搖運動RAO結(jié)果，如圖8所示?？捎^察到此時的橫搖峰值為2.427 (°)/m，位于本設(shè)計船型要求的橫搖舒適極限和作業(yè)極限之間[6]，較為合理。

3 給定海況下頻域運動分析

3.1 參數(shù)設(shè)置

在以上水動力計算幾何模型和水動力計算結(jié)果的基礎(chǔ)上，本文對設(shè)計船做進一步的分析。設(shè)定海況條件參數(shù)如表3所示。

表3 海況條件參數(shù)

由于沒有系泊系統(tǒng)，無需考慮低頻載荷的影響，僅考慮船體在波浪作用下的波頻運動，本模型中沒有莫里森單元，所以莫里森黏性力線性化設(shè)為No。

3.2 頻域分析與結(jié)果處理

插入不規(guī)則波，波浪譜為JONSWAP譜，具體參數(shù)如表3所示；將波浪方向設(shè)置為0°，45°，90°，135°，180°，分別進行計算，即可得到不同波浪方向下的計算結(jié)果。如表4所示。

將計算結(jié)果與本設(shè)計船作業(yè)要求值對比，如表5所示，可知本設(shè)計船的重心位置運動響應(yīng)值在合理范圍內(nèi)。

輸出90°波浪譜曲線，如圖9所示，與90°浪橫搖RAO曲線(圖8)對比，可以發(fā)現(xiàn)波浪的主要能量范圍為0.555～3.75 Hz，而本設(shè)計船橫搖響應(yīng)范圍為0.032～0.401 Hz，故在給定海況條件下90°浪向下船舶橫搖運動較為溫和。

圖8 阻尼修正后的90°浪向橫搖RAO

表4 給定海況下船體重心運動響應(yīng)值表a) 給定海況下(0°浪向)船體重心運動響應(yīng)值

表b) 給定海況下(45°浪向)船體重心運動響應(yīng)值

表c) 給定海況下(90°浪向)船體重心運動響應(yīng)值

表d) 給定海況下(135°浪向)船體重心運動響應(yīng)值

表e) 給定海況下(180°浪向)船體重心運動響應(yīng)值

4 結(jié)語

本文利用AQWA詳細地展示了某大型船舶水動力分析的過程及思路，計算結(jié)果表明，在給定海況條件下，本設(shè)計船耐波性能良好，完全滿足飛行甲板上各類艦載機起降作業(yè)要求。同時，通過上述分析可以看出，AQWA作為一款成熟的海洋工程水動力分析軟件，在進行本船型計算時，具有操作難度低、精度高的優(yōu)勢。在未來的工作中，還可借助AQWA對本設(shè)計船進行時域分析和系泊分析，對其靠港停泊進行模擬，分析相關(guān)參數(shù)，解決其靠港停泊時遇到的各類問題。

表5 本設(shè)計船型作業(yè)要求值[4]與計算值對比

圖9 90°波浪譜曲線