周恩鑫，張吉萍，楊陽，夏小浩

（1.浙江海洋大學(xué) 船舶與海運學(xué)院，浙江 舟山 316022；2.舟山技師學(xué)院，浙江 舟山 316012；3.揚帆集團股份有限公司，浙江 舟山 316100）

砰擊現(xiàn)象是船舶在航行過程中常見的現(xiàn)象，這種局部的強度問題要給予重視[1]。王珂[2]利用有限元軟件對一艘LNG 船的艏部結(jié)構(gòu)進(jìn)行入水砰擊研究，分析了這艘船的縱向、橫向曲率以及入水速度對砰擊壓力值的影響；張智[3]利用Fluent 軟件，模擬不同高度自由下落的三維楔形體，得到其加速度、位移以及壓力分布隨時間的變化，并提出一種預(yù)報方法；陳震[4]基于有限體積法，通過改善球鼻艏的曲率分析影響砰擊壓力的因素；Meyerhoff[5]提出三維結(jié)構(gòu)物在研究砰擊壓力時，需要根據(jù)其長寬比參數(shù)減小砰擊壓力，原因是三維特征的砰擊壓力具有衰減特性；Scolan[6]在他人研究基礎(chǔ)之上，基于擾動法，分析了軸對稱物體的砰擊，并在三維物體砰擊問題中應(yīng)用。

1 砰擊壓力理論公式

沖量砰擊原理[7]中砰擊壓力受時間和位置影響，其計算公式如下：

對公式求導(dǎo)可得極值點，即砰擊發(fā)生的最大值和位置：

2 建立模型

2.1 船體外殼

7800 汽車運輸船尺度見表1，利用STAR-CCM+強大的前處理模塊導(dǎo)入全船濕表面模型。模型如圖1 所示。

表1 7800PCTC 主尺度

圖1 7800PCTC 整船模型

2.2 造波水池

三維數(shù)值水池的網(wǎng)格劃分采用自動網(wǎng)格。網(wǎng)格劃分如圖2 所示，船體采用DBFI 六自由度剛體運動模型建立，另外自由液面處也進(jìn)行加密，加密高度約為一倍規(guī)則波波高[8]。

圖2 水池網(wǎng)格劃分示意圖

2.3 布置壓力監(jiān)測點

為了更好地監(jiān)測船舶外表面各部位的波浪砰擊壓力，以及具體分析壓力分布與波浪參數(shù)等因素的關(guān)系，本文選取了15 個代表性較強的監(jiān)測點。

圖3 監(jiān)測點布置圖

3 波浪統(tǒng)計參數(shù)工況

在方鐘圣[9]編寫的西北太平洋波浪統(tǒng)計集中對南海的區(qū)域劃分比較詳細(xì)且數(shù)據(jù)全面，是對中國南海海域的海浪資料最權(quán)威的統(tǒng)計。因此，本文選用西北太平洋波浪統(tǒng)計集來計算南海海域的海況，但同時由于缺乏極限海況下的波浪基本參數(shù)，因此，采用波陡近似原則，通過已知的南海百年一遇短期海況[10]，求出南海的隨機波波陡：

式中：Ss—隨機波波陡，即波高比波長；Hs—有義波高；Tz—平均跨零周期。根據(jù)已知的南海風(fēng)暴短期海況Hs=13.3m，Tz=11s，代入式（3）得南海波陡=0.07。

規(guī)則波波高HMAX 與有義波高HS 的關(guān)系如下：

根據(jù)以上公式可以求得極限工況下百年一遇規(guī)則波波高24.7m，波浪周期11s，波陡0.07。

具體工況參數(shù)見下表2。

表2 波浪工況表

4 波浪砰擊結(jié)果模擬

4.1 砰擊壓力時歷曲線

4.1.1 低海況

圖4 所示為 T=9s、H=7.5m 時 FR222 以及船最首端下部監(jiān)測點壓力時歷曲線。從圖中可以看出，越接近水面的結(jié)構(gòu)位置處，其砰擊壓力越大，砰擊壓力大小與垂向高度緊密聯(lián)系，同時注意到P5、P10 和P14 出現(xiàn)了明顯的負(fù)壓現(xiàn)象。

圖4 T=9s、H=7.5m 時各站位監(jiān)測點壓力時歷曲線

4.1.2 高海況

圖5 所示為極限海況時FR222 以及船最首端下部監(jiān)測點壓力時歷曲線。

圖5 T=11s、H=24.7m 時各站位監(jiān)測點壓力時歷曲線

在高海況下，各個站位測得的壓力峰值大小都高于低海況，砰擊壓力時歷曲線更為陡峭，此時，垂向砰擊壓力對總壓力大小的貢獻(xiàn)比例遠(yuǎn)高于橫向砰擊壓力。船艏柱表現(xiàn)出明顯的砰擊周期現(xiàn)象，在30s 的監(jiān)測時間中，出現(xiàn)三次周期峰值，與此時的波浪周期較為貼合，即每個周期出現(xiàn)一次砰擊。

5 總結(jié)

通過采用STAR-CCM+軟件模擬7800PCTC 在南海海域中航行時將要承受的波浪砰擊壓力，得出以下結(jié)論。

（1）在各海況下，對于同一高度的監(jiān)測點，隨著監(jiān)測點距離船首的增加，監(jiān)測點砰擊壓力均出現(xiàn)減小的趨勢；在同一站位的監(jiān)測點，隨著監(jiān)測點高度的降低，波浪砰擊壓力不斷增加；在高海況下，波浪垂向砰擊壓力作用對砰擊壓力總大小的貢獻(xiàn)占比要高于橫向砰擊壓力；在各海況下，都出現(xiàn)明顯的負(fù)壓效應(yīng)，CFD 技術(shù)為準(zhǔn)確預(yù)測結(jié)構(gòu)上的負(fù)壓位置，提供了強有力的幫助，能夠為防止負(fù)壓破壞結(jié)構(gòu)提供依據(jù)。

（2）CFD 數(shù)值仿真技術(shù)預(yù)報波浪作用于船首結(jié)構(gòu)的砰擊壓力，避免了理論研究無法準(zhǔn)確描述負(fù)壓情況出現(xiàn)時間和空間方面的缺點，還可以得到詳細(xì)的流場數(shù)據(jù)如壓力場等；可視化程度高，能夠方便對砰擊壓力的產(chǎn)生機理和船體結(jié)構(gòu)減損進(jìn)行深入細(xì)致地分析。