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）

0 引言

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。

1 智能搜救艇概況

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

2 技術(shù)思路

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。

3 智能搜救艇穩(wěn)性分析

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。

4 耐波性計(jì)算工況搜索

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)

5 波浪中運(yùn)動(dòng)響應(yīng)分析

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]。

5.1 波浪中運(yùn)動(dòng)的頻域勢(shì)流計(jì)算分析

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。

5.2 波浪中運(yùn)動(dòng)的時(shí)域計(jì)算分析

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。

5 結(jié)論

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。