楊 陽，趙 俊，張吉萍

（1.浙江海洋大學(xué)船舶與機(jī)電工程學(xué)院，浙江舟山 316022；2.舟山市港航管理局船舶檢驗處，浙江舟山 316022）

11 000 DWT液貨船耦合運動響應(yīng)研究

楊 陽1，趙 俊2，張吉萍1

（1.浙江海洋大學(xué)船舶與機(jī)電工程學(xué)院，浙江舟山 316022；2.舟山市港航管理局船舶檢驗處，浙江舟山 316022）

大型液貨船液艙具有寬度較大、裝載深度高的特征，在波浪作用下產(chǎn)生的液艙晃蕩將影響船體的運動。本文基于勢流理論，應(yīng)用SESAM水動力分析軟件在頻域范圍內(nèi)對11 000 DWT液貨船進(jìn)行了耦合運動響應(yīng)研究，對比分析了考慮液貨晃蕩與不考慮液貨晃蕩條件下的船舶運動響應(yīng)，對比分析了液貨裝載率對船舶運動響應(yīng)的影響規(guī)律研究。

液貨船；晃蕩；裝載率；耦合運動

隨著海洋油氣資源開采和運輸量增加，國際市場對于液貨船的需求也日益增長，同時液貨船具備運輸效率高效且運輸費用較低的優(yōu)勢。液貨船具有寬度較大、裝載深度高的特性，在一定頻率范圍的波浪作用下，船體運動會導(dǎo)致劇烈的液艙晃蕩，而晃蕩載荷對船體結(jié)構(gòu)和運動響應(yīng)都將造成重大影響。因此，液艙晃蕩對于液貨船水動力性能影響不可忽略。針對計及液艙晃蕩的船舶運動響應(yīng)，目前國內(nèi)外學(xué)者主要通過數(shù)值模擬和模型試驗進(jìn)行研究。模型試驗方面，比較典型是MARIN水池[1]對FPSO進(jìn)行了液艙晃蕩與船舶六自由度的耦合運動試驗。數(shù)值計算方面，主要基于線性勢流理論進(jìn)行研究。LEE[2]、KIM[3]和MOLIN[4]等的研究成果表明，在不出現(xiàn)強(qiáng)非線性現(xiàn)象時，采用線性勢流理論能夠準(zhǔn)確獲得液艙晃蕩與船舶耦合運動結(jié)果。

論文基于線性勢流理論，選用DNV水動力軟件SESAM，計算分析了11 000 DWT液貨船在不同載液深度條件下液貨船考慮液艙晃蕩與忽略液艙晃蕩的運動響應(yīng)對比研究，論文工作對于液貨船水動力響應(yīng)規(guī)律研究及提高船舶穩(wěn)性具有重要意義。

1 船舶運動方程

根據(jù)剛體力學(xué)方程[5]，在不考慮液艙晃蕩情況下，船體在水中的六個自由度運動方程為

式中：Mij為廣義質(zhì)量矩陣；aij(ω)為附加質(zhì)量矩陣；C(ω)為阻尼系數(shù)矩陣，K為回復(fù)力剛度矩陣。

如果考慮液貨晃蕩影響，如假設(shè)船舶進(jìn)行微幅運動，液艙晃蕩與船體運動可以通過線性勢流理論進(jìn)行耦合計算。為了考慮粘性作用的影響，采用添加線性阻尼的方法彌補(bǔ)粘度造成的誤差[7]。

式中：γ為系統(tǒng)阻尼。則船舶運動和液艙晃蕩耦合運動方程如式（3）所示

液艙內(nèi)不考慮慣性力，液艙對船體的作用力可表示為式（4）。

將方程（4）代回方程（3）中，得到基于線性勢流理論的船舶運動和液艙晃蕩的耦合運動方程式為，

2 11 000 DWT液貨船數(shù)值模擬

2.1 11 000 DWT液貨船

11 000 DWT油船，船長126 m，型寬20 m，型深10.2 m，空船質(zhì)量4 000 t。全船有10個貨艙，艙室長度為16.8 m，寬度為8.9 m，高度為10.2 m。根據(jù)船型設(shè)計，建立全船有限元結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。模型忽略了部分次要構(gòu)件和船上設(shè)備重量，為保證船舶運動響應(yīng)的準(zhǔn)確性，對船體密度進(jìn)行調(diào)節(jié)，并在部分區(qū)域設(shè)置質(zhì)量點。

圖1 11 000 DWT液貨船模型Fig.1 11 000 DWT tanker model

2.2 有無晃蕩載荷情況六自由度的運動響應(yīng)對比

下面對11 000 DWT液貨船在裝載40%情況下在六自由度方向上的運動響應(yīng)進(jìn)行數(shù)值模擬，結(jié)果如圖2所示。

對比有無晃蕩的船體運動響應(yīng)結(jié)果，液艙晃蕩載荷對船舶的垂蕩，縱搖和橫蕩運動并沒有多大影響，對于船舶的縱蕩響應(yīng)影響較小，而對船舶的橫搖運動響應(yīng)和首搖運動響應(yīng)影響較大。液艙晃蕩不僅改變了船體首搖運動響應(yīng)幅值還改變了運動趨勢。液艙晃蕩雖然沒有改變橫搖運動響應(yīng)趨勢但是引起了響應(yīng)幅值的較大變化，尤其在0.6～0.9這一頻域范圍內(nèi)，兩者響應(yīng)幅值相差最大。船舶運動響應(yīng)的區(qū)別應(yīng)該是來自液艙和船體共振產(chǎn)生劇烈晃蕩所造成的影響?？梢?，液艙晃蕩對船體運動響應(yīng)研究不容忽視。以下將進(jìn)一步對不同裝載率下的橫搖運動和首搖運動響應(yīng)結(jié)果進(jìn)行分析。

2.3 不同裝載率下有無晃蕩載荷橫搖運動響應(yīng)對比

下面對不同裝載條件下11 000 DWT液貨船是否考慮晃蕩影響的橫搖運動響應(yīng)進(jìn)行數(shù)值模擬，結(jié)果如圖3所示。

圖2 浪向角90°下船體六自由度運動響應(yīng)（裝載率40%）Fig.2 The RAOs of ship in the beam sea(filling with 40%)

圖3 不同裝載率下橫搖運動響應(yīng)對比Fig.3 The motion response of roll in different filling

對比不同載液狀況下的有無晃蕩載荷的橫搖運動響應(yīng)，液艙晃蕩對船舶運動響應(yīng)的影響也不一致。由圖中看出，隨著裝載率增大，液艙晃蕩對11 000 DWT液貨船的船體運動影響逐漸減少。在裝載75%時，液艙晃蕩影響最小，與不考慮晃蕩的運動響應(yīng)結(jié)果相近。

2.4 不同裝載率下有無晃蕩載荷首搖運動響應(yīng)對比

下面對不同裝載條件下11 000 DWT液貨船是否考慮晃蕩影響的首搖運動響應(yīng)進(jìn)行數(shù)值模擬，結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同裝載率下首搖運動響應(yīng)對比Fig.4 The motion response of yaw in different filling

在低液裝載狀態(tài)下，液艙晃蕩對船體的首搖運動影響并沒有規(guī)律可循。在高裝載率情況下，是否考慮液艙晃蕩的船舶首搖運動響應(yīng)逐漸相似。并且，隨著裝載率增大，在頻率在0.4 rad/s之后其響應(yīng)幅值的差值也逐漸減少。

2.5 11 000 DWT液貨船運動響應(yīng)匯總

上述分析表明，液艙晃蕩對液貨船的運動響應(yīng)有著一定的影響，因此，下面對不同裝載條件下11 000 DWT液貨船運動響應(yīng)進(jìn)行數(shù)值模擬，結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同載液深度下的船體六自由度運動響應(yīng)Fig.5 The six-RAOs of tanker in different filling

對于液貨船的垂蕩、橫蕩運動，不同頻率下船舶的垂蕩和橫蕩的運動響應(yīng)數(shù)值相近，可見不同載液率對于船舶的垂蕩和橫蕩運動影響較少。對于液貨船的首搖、縱搖和縱蕩運動，隨著載液深度增加，運動響應(yīng)明顯加劇且沒有一定的規(guī)律，波浪對船舶的首搖運動最大也不超過0.12deg/m，因此，可以忽略液貨晃蕩對船舶首搖運動響應(yīng)影響。對于液貨船的橫搖運動，隨著載液率減少，船舶橫搖共振頻率朝著高頻方向偏移，另外，隨著載液率增加，船舶的運動影響也逐漸增大。

3 總結(jié)

本文基于線性勢流理論，選用DNV三維線性水動力分析軟件SESAM，計算分析了在不同載液深度下對考慮液艙晃蕩與忽略液艙晃蕩兩種情況的六自由度的運動響應(yīng)，從而獲得以下結(jié)論：液艙晃蕩對于船體的運動響應(yīng)不容忽視，液貨與船體結(jié)構(gòu)將于某一頻率處產(chǎn)生共振；載液深度對液貨船橫搖運動影響最大，對垂蕩和橫蕩運動影響較小，而首搖，縱搖和縱蕩運動影響可以忽略；隨著載液深度的增加，液艙晃蕩載荷對于船舶的橫搖運動影響逐漸減少，共振頻率也朝向低頻移動。

[1]ROGNEBAKKE O F,FALTINSEN O M.Coupling of Sloshing and Ship Motions[J].Journal of Ship Research,2009,47(3):208-221.

[2]LEE S J,KIM M H,LEE D H,et al.The effects of LNG-sloshing on the global responses of LNG-carriers[J].Ocean Engineering,2008,34(1):10-20.

[3]KIM Y,NAM B W,KIM D W,et al.Study on coupling effects of ship motion and sloshing[J].Ocean Engineering,2007,34(16): 2 176-21 87.

[4]MOLIN B,REMY F,RIGAUD S,et al.LNG FPSO’s:frequency domain,coupled analysis of support and liquid cargo Motion[C] //Proceedings of the 10th International Maritime Association of the Mediterranean(IMAM)Conference,Rethymnon,Greece.2002.

[5]劉應(yīng)中.船舶在波浪上的運動理論[M].上海:上海交通大學(xué)出版社,1987.

[6]LEE S J.The effects of LNG-sloshing on the global responses of LNG-carriers[D].Texas A&M University,2008.

[7]趙小西.液艙晃蕩及其對船舶運動的影響研究[D].大連:大連理工大學(xué),2014.

Research on Coupling Motion Response of 11 000 DWT Liquid Cargo Tanker

YANG Yang1,ZHAO Jun2,ZHANG Ji-ping1
(1.School of Naval Architecture and Mechanical-Electrical Engineering of Zhejiang Ocean University,Zhoushan 316022;2.Ship Inspection Division,Zhoushan Administration Bureau of Port and Fariway,Zhoushan 316022,China)

The motion responses of liquid cargo tanker are effected obviously by the liquid sloshing in the wave because the characteristic of wider molded breadth and deeper cargo.The coupling motion of the 11 000 DWT tanker are calculated by hydrodynamic analysis software Sesam(DNV)in frequent domain based on the thre-dimensional linearized potential flow theory.The motion responses results considering with liquid sloshing and without liquid sloshing are compared,and the influence rule from the different liquid loading rates on ship motion responses is analyzed.Research in the paper is of important guiding significance to liquid cargo ship hydrodynamic performance analysis.

liquid cargo tanker;sloshing;loading rate;coupling motion

U664

A

1008-830X(2016)04-0332-05

2016-05-30

浙江省自然科學(xué)基金（LY14E090002）；國家自然科學(xué)基金（51409232）

楊陽（1991-），浙江臺州人，碩士研究生，研究方向：船舶與海洋結(jié)構(gòu)物設(shè)計制造.