舒 展,高 慧,林玉璋,劉森林
(天海融合防務(wù)裝備技術(shù)股份有限公司,上海 201612)
海面上發(fā)生船舶遇險(xiǎn)損毀事故時(shí),需要在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用特種救生救助裝備開展海上救助作業(yè)。而在高海況下,有人駕駛的搜救船舶難于開展正常作業(yè)。無(wú)人搜救艇開展海上救生救助是安全可靠的選擇,但由于該搜救作業(yè)在高海況下開展,無(wú)人艇在高海況中的瞬時(shí)運(yùn)動(dòng)及安全問(wèn)題需要進(jìn)行分析研究。本文就此安全問(wèn)題進(jìn)行數(shù)值模擬和計(jì)算分析,評(píng)估其作業(yè)安全性。
智能無(wú)人搜救艇船型參數(shù)如下,艇總長(zhǎng)Loa=6.25 m,型寬B=2.15 m,型深D=1.265 m,吃水d=0.607 m,排水量Δ=2.863 t,浸濕面積S=10.8 m2。具體主尺度見(jiàn)表1。基于型線圖和型值表,艇體三維建模見(jiàn)圖1。
圖1 3D 模型圖
表1 無(wú)人搜救艇船體參數(shù)表
由于智能無(wú)人搜救艇在高海況下進(jìn)行作業(yè),高海況下的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)是典型的強(qiáng)非線性水動(dòng)力學(xué)問(wèn)題,傳統(tǒng)的勢(shì)流方法對(duì)這種強(qiáng)非線性的艇體和波浪相互作用勛在局限性。因此需要借助計(jì)算流體力學(xué)手段開展直接數(shù)值模擬。綜合應(yīng)用基于靜力學(xué)的靜水和波浪中穩(wěn)性計(jì)算評(píng)估,和基于動(dòng)力學(xué)的頻域勢(shì)流、時(shí)域黏流耐波性計(jì)算評(píng)估。首先,對(duì)穩(wěn)性計(jì)算評(píng)估,基于靜力學(xué)方法計(jì)算最不利工況下的艇體橫搖復(fù)原力臂,評(píng)估艇體在靜水和波浪中的穩(wěn)性。其次,對(duì)耐波性計(jì)算評(píng)估,先基于傳統(tǒng)的頻域勢(shì)流切片法預(yù)報(bào)艇體運(yùn)動(dòng)響應(yīng)幅值算子和6級(jí)海況下的運(yùn)動(dòng)譜,根據(jù)頻域結(jié)果搜索最不利的波浪環(huán)境,確定時(shí)域計(jì)算波浪參數(shù)和工況;再基于時(shí)域黏流的計(jì)算流體力學(xué)方法,建立數(shù)值波浪水池模擬強(qiáng)非線性海面波浪環(huán)境、艇體運(yùn)動(dòng)方程,并在時(shí)域計(jì)算分析艇體運(yùn)動(dòng)響應(yīng)。最終通過(guò)靜力學(xué)和動(dòng)力學(xué)方法,分析無(wú)人搜救艇在高海況下的穩(wěn)性、耐波性,評(píng)估航行安全性能。
無(wú)人搜救艇吃水d=0.6 m,排水量Δ=2.86 t,重心高度0.66 m。滿載吃水下,計(jì)算靜水和波浪環(huán)境下的初穩(wěn)性高、穩(wěn)性復(fù)原力臂,最后根據(jù)法規(guī)要求評(píng)估其穩(wěn)性,同時(shí)評(píng)估其自扶正功能[1]。圖2為艇體模型圖。
圖2 艇體模型圖
此智能搜救艇體需在高海況下作業(yè),由于風(fēng)浪聯(lián)合作用,艇體受到外力干擾,使其產(chǎn)生傾斜,這樣就破壞原來(lái)正浮時(shí)的平衡狀態(tài),外力消失,船體由傾斜狀態(tài)自動(dòng)恢復(fù)至平衡狀態(tài),這樣的能力為船舶具有足夠穩(wěn)性[2]。艇體在波浪中具有參數(shù)橫搖特性,考慮艇體處于波峰位于船中、波長(zhǎng)等于船長(zhǎng)的迎浪情況,相對(duì)于靜水正浮狀態(tài),此時(shí)船體水線面損失最大,容易發(fā)生波浪中失穩(wěn)得最不利狀態(tài)??紤]波長(zhǎng)為船長(zhǎng)6.25 m,在極限波陡為八分之一的條件下,波高取為0.78 m,波峰位于船中,此時(shí)艇體強(qiáng)制橫搖180°,計(jì)算波浪中不同橫搖角度的穩(wěn)性力臂值,分析其穩(wěn)性特征。
圖3為智能無(wú)人搜救艇在0~180°橫傾下的復(fù)原力臂圖。表2為穩(wěn)性力臂表。
表2 穩(wěn)性力臂表
圖3 復(fù)原力臂圖
由計(jì)算結(jié)果可知,在靜水、波;浪環(huán)境中無(wú)人搜救艇,初穩(wěn)性高為0.461 m,最大復(fù)原力臂對(duì)應(yīng)角為54.5度,最大復(fù)原力臂值為0.319 m;在0~180°傾斜角度范圍內(nèi),除了初始狀態(tài)為平衡位置,在116.9°也為平衡位置,即船體傾斜到~114°,船體復(fù)原力臂為0,在此狀態(tài),若稍給外力矩,則艇體會(huì)快速自動(dòng)復(fù)原至正浮狀態(tài),此能力稱之為具有自扶正功能。
根據(jù)法規(guī)對(duì)穩(wěn)性的要求:1)初穩(wěn)性應(yīng)不小于0.15 m;2)橫傾角30度處的復(fù)原力臂應(yīng)不小于0.02 m;3)船舶最大復(fù)原力臂所對(duì)應(yīng)的橫傾角應(yīng)不小于30°[3]。由靜水穩(wěn)性計(jì)算結(jié)果對(duì)比,可知智能無(wú)人搜救艇靜水及波浪中穩(wěn)性滿足規(guī)則要求。
計(jì)算海況為六級(jí)海況,對(duì)應(yīng)有義波高為6.0 m、波譜峰周期為9.993 s,選用JONSWA波浪譜。無(wú)人搜救艇以4.0 kn的航速航行。
為分析無(wú)人搜救艇在6級(jí)海況下的艇體運(yùn)動(dòng)響應(yīng)特征和安全性能,首先需要快速的評(píng)估分析其在各種浪向下的運(yùn)動(dòng)特性。選用經(jīng)典的有航速艇體運(yùn)動(dòng)響應(yīng)預(yù)報(bào)的頻域切片方法,考慮90°、120°、150°和180°等4種浪向,快速預(yù)報(bào)4 kn航速艇體的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)幅值算子(Response Amplitude Operator,RAO)、給定海況下的艇體運(yùn)動(dòng)譜,獲得六級(jí)海況下各波浪頻率成分對(duì)應(yīng)的艇體運(yùn)動(dòng)幅值和峰值頻率。相應(yīng)的計(jì)算工況參數(shù)見(jiàn)表3。
表3 無(wú)人搜救艇頻域計(jì)算工況參數(shù)
但以上分析在線性頻域內(nèi)實(shí)現(xiàn)的,并沒(méi)有考慮到高海況實(shí)際波面的完全非線性特征,還需要開展時(shí)域非線性波浪環(huán)境的波面模擬和艇體運(yùn)動(dòng)響應(yīng)計(jì)算分析。
因此,結(jié)合無(wú)人搜救艇以迎浪航行時(shí)最為不安全的實(shí)際情況,確定時(shí)域計(jì)算工況的非線性波浪參數(shù)。具體為:浪向?yàn)?80°迎浪,波浪遭遇頻率選取縱搖垂蕩運(yùn)動(dòng)譜峰值頻率、縱搖固有頻率和波長(zhǎng)等于船長(zhǎng)的波頻3個(gè)極端頻率點(diǎn),作為時(shí)域計(jì)算工況。具體參數(shù)列表如下,其中縱搖垂蕩運(yùn)動(dòng)譜峰值頻率0.81 rad/s的計(jì)算工況Case-T3,其波長(zhǎng)達(dá)140 m,對(duì)6.25 m長(zhǎng)的無(wú)人搜救艇而言,迎浪航行時(shí)將處于非常平穩(wěn)的隨波運(yùn)動(dòng)狀態(tài),雖然運(yùn)動(dòng)幅值大,但是運(yùn)動(dòng)周期長(zhǎng)而且遠(yuǎn)離縱搖垂蕩固有周期,因此運(yùn)動(dòng)比較平緩安全,頻域運(yùn)動(dòng)預(yù)報(bào)結(jié)果比較合力可靠。反而是Case-T1波長(zhǎng)為6.25 m、Case-T2波長(zhǎng)為16.9 m,接近或與船體尺度一致;頻率也都是等于或接近縱搖垂蕩固有頻率的狀態(tài),因此存在顯著的波浪船體相互作用,故最終確定這Case-T1&Case-T2為時(shí)域模擬工況。無(wú)人搜救艇時(shí)域計(jì)算工況參數(shù)見(jiàn)表4。
表4 無(wú)人搜救艇時(shí)域計(jì)算工況參數(shù)
基于剛性船體假定,應(yīng)用頻域勢(shì)流理論的切片法確定船體水動(dòng)力系數(shù)和波浪載荷,建立波浪中船體6自由度運(yùn)動(dòng)方程。頻域勢(shì)流分析基于切片法理論,切片法的基本思想是在船長(zhǎng)方向劃分出一系列橫向切片,忽略切片之間的縱向相互干擾,即將三維船體的水動(dòng)力振蕩問(wèn)題簡(jiǎn)化為橫向平面的二維流場(chǎng)水動(dòng)力問(wèn)題,最后沿船長(zhǎng)方向積分即可獲得全船的水動(dòng)力系數(shù)波浪載荷。但該艇需在高海況下的海洋波浪環(huán)境下作業(yè),會(huì)存在波面破碎、翻卷等強(qiáng)非線性特征,船體在此種環(huán)境航行時(shí),又會(huì)引發(fā)瞬態(tài)抨擊、甲板上浪、首尾出入水等強(qiáng)非線性的波浪和船體相互作用問(wèn)題,對(duì)此傳統(tǒng)的勢(shì)流方法無(wú)能為力。光滑粒子水動(dòng)力學(xué)(Smooth Particle Hydrodynamics,SPH)方法在數(shù)值模擬強(qiáng)非線性水動(dòng)力學(xué)問(wèn)題的顯著優(yōu)勢(shì),本船體用該法開展數(shù)值水池造波、波浪和船體相互作用直接數(shù)值模擬[4]。
該艇體沿船長(zhǎng)方向在水線下劃分出40個(gè)橫向切片。計(jì)算條件設(shè)置時(shí),考慮無(wú)人搜救艇航速為4 kn;浪向角為從90°、120°、150°到180°;6級(jí)海況的波譜選為JONSWAP波浪譜,對(duì)應(yīng)有義波高為6.0 m、譜峰周期為9.993 s;艇體橫搖慣性半徑為船寬的40%,縱搖和首搖慣性半徑為船長(zhǎng)的25%,見(jiàn)表5。
表5 各頻域計(jì)算工況的結(jié)果統(tǒng)計(jì)表
由表5可知,橫浪時(shí)橫搖角有義值最大,為40.57°;迎浪時(shí)縱搖有義值最大,為7.61°;各種浪向下垂蕩有義值基本一致;90°橫浪向艇體運(yùn)動(dòng)幅值最大,是對(duì)安全性能最不利的情況,而180°迎浪艇體運(yùn)動(dòng)幅值最小,是對(duì)安全性能最有利的情況。
該艇體航速為4 kn,浪向角為180°迎浪,采用基于SPH方法的數(shù)值水池技術(shù),水池左側(cè)為推板造波機(jī),可根據(jù)需求生成對(duì)應(yīng)波頻、波高的波浪;兩個(gè)計(jì)算工況波浪參數(shù)分別為:Case-T1工況遭遇波周期1.2 s、波高0.62 m,Case-T2工況遭遇波周期2.41 s、波高1.69 m。應(yīng)用SPH方法模擬波面、艇體時(shí)域運(yùn)動(dòng)響應(yīng),計(jì)算分析2個(gè)工況艇體運(yùn)動(dòng)響應(yīng)。艇體時(shí)域運(yùn)動(dòng)響應(yīng),計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表6。圖4為Case-T1波浪和艇體典型時(shí)刻形態(tài),圖5為Case-T2波浪和艇體典型時(shí)刻形態(tài)圖[5]。
圖4 Case-T1 波浪和艇體典型時(shí)刻形態(tài)
圖5 Case-T2 波浪和艇體典型時(shí)刻形態(tài)
表6 波浪中無(wú)人搜救艇時(shí)域運(yùn)動(dòng)響應(yīng)計(jì)算結(jié)果
由圖4、圖5以及表6結(jié)果可知,各計(jì)算工況的波陡取為1/10,遠(yuǎn)超自然波浪的波陡范圍,波面很快發(fā)生翻卷和破碎,波高衰減較快,因此艇體附近的實(shí)際波高已經(jīng)明顯小于理論波高,導(dǎo)致船體實(shí)際運(yùn)動(dòng)幅值較理論波高下的運(yùn)動(dòng)幅值明顯減小。對(duì)比2種遭遇波頻的計(jì)算結(jié)果,可知Case-T2頻率較低時(shí)波長(zhǎng)較長(zhǎng),波形較穩(wěn)定,艇體產(chǎn)生了明顯較大的縱搖和垂蕩運(yùn)動(dòng)幅值。在6級(jí)海況下艇體處于不利波頻時(shí),保證艇體處于迎浪狀態(tài)時(shí),航行較為安全。
本文通過(guò)靜水和波浪中無(wú)人搜救艇的穩(wěn)性評(píng)估,6級(jí)高海況條件下無(wú)人艇的耐波性頻域和時(shí)域分析,在選擇有利的180°迎浪向條件下,無(wú)人搜救艇可以安全航行。本文無(wú)人艇已投入使用,反饋良好,安全性也得到了驗(yàn)證,此艇的安全分析方法可供類似船體安全評(píng)估提供參考。