肖 武王海洋

（1.海軍裝備部水面艦艇局 北京100841；2.中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院 上海200011）

船舶結(jié)構(gòu)

某大尺度新船型波浪載荷理論預(yù)報(bào)

肖 武1王海洋2

（1.海軍裝備部水面艦艇局 北京100841；2.中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院 上海200011）

針對(duì)某大尺度新船型的船體線型特點(diǎn)，運(yùn)用COMPASS-WALCS軟件對(duì)其船體波浪線性、非線性載荷（包括砰擊載荷）進(jìn)行預(yù)報(bào)，并與BV船級(jí)社規(guī)范計(jì)算結(jié)果、船模試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果表明：非線性載荷預(yù)報(bào)有一定準(zhǔn)確度，可以對(duì)實(shí)船設(shè)計(jì)起到指導(dǎo)作用。

大尺度；新船型；非線性；砰擊載荷；船模試驗(yàn)

引 言

大型水面艦船和軍輔船為兼顧高航速和大甲板面積，往往線型瘦削、首部外飄大，由于需滿足相應(yīng)使命的要求，沒(méi)有固定航線，緊急任務(wù)時(shí)不能規(guī)避惡劣海況。本文研究的目標(biāo)船為一種大尺度新船型。與普通軍用艦船相比，其不僅排水量更大（約70 000 t）、船長(zhǎng)更長(zhǎng)（約300 m），而且其橫剖面線型沿船長(zhǎng)變化較大，首部外飄嚴(yán)重，導(dǎo)致船體所受的砰擊載荷水平較高，波浪載荷的非線性特征也較明顯。

對(duì)于常規(guī)船型，船級(jí)社規(guī)范中一般使用設(shè)計(jì)波法來(lái)確定在評(píng)估船體強(qiáng)度時(shí)所用的波浪載荷水平。這種方法主要使用基于頻域線性計(jì)算方法計(jì)算波浪載荷的頻率響應(yīng)函數(shù)，結(jié)合譜分析法計(jì)算波浪載荷的設(shè)計(jì)值，這種方法無(wú)法計(jì)及航速、線型、砰擊等波浪載荷非線性成份的綜合影響。

目前已有較多專業(yè)軟件可用來(lái)計(jì)算船體在波浪中的運(yùn)動(dòng)和載荷，這些軟件大多都是基于水動(dòng)力數(shù)值算法編寫(xiě)的，比如挪威船級(jí)社DNV的SESAM軟件，該軟件包含兩套水動(dòng)力數(shù)值求解器，分別是基于三維頻域線性算法的Wadam模塊和基于三維時(shí)域算法的Wasim模塊。其中Wasim以Rankine源作為求解水動(dòng)力問(wèn)題的基礎(chǔ)，包含線性和非線性的計(jì)算方法。另外，中國(guó)船級(jí)社和哈爾濱工程大學(xué)聯(lián)合開(kāi)發(fā)的COMPASS-WALCS-NE軟件以三維勢(shì)流理論和三維結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)為基礎(chǔ)［1-3］，考慮船體瞬時(shí)濕表面的變化引起的非線性波浪力［4］、船體大幅運(yùn)動(dòng)時(shí)首尾受到的砰擊上浪［5］等非線性載荷以及結(jié)構(gòu)水彈性的影響，通過(guò)求解時(shí)域水彈性力學(xué)方程，獲得船體非線性運(yùn)動(dòng)、剖面載荷的時(shí)歷數(shù)據(jù)。

本文基于COMPASS-WALCS軟件，分別使用其線性和非線性模塊，對(duì)目標(biāo)船進(jìn)行船體波浪載荷預(yù)報(bào)，并與BV船級(jí)社規(guī)范值和試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，為該船型的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。

1 基于COMPASS-WALCS的船體波浪載荷預(yù)報(bào)

1.1 水動(dòng)力模型

船體濕表面的水動(dòng)力網(wǎng)格模型如圖1所示。

目標(biāo)船的質(zhì)量按各個(gè)站位的分布情況，施加在模型上。

1.2 線性波浪載荷計(jì)算

1.2.1 計(jì)算步驟

（1）波浪誘導(dǎo)運(yùn)動(dòng)及載荷傳遞函數(shù)計(jì)算；

（2）根據(jù)波浪誘導(dǎo)運(yùn)動(dòng)、 載荷傳遞函數(shù)和海浪譜 ，利用數(shù)理統(tǒng)計(jì)理論進(jìn)行船體運(yùn)動(dòng)和波浪載荷的短期

（3）根據(jù)波浪誘導(dǎo)運(yùn)動(dòng)和載荷傳遞函數(shù) ，海浪譜以及波浪散布圖，計(jì)算確定概率水平下的船體運(yùn)動(dòng)和波浪載荷的長(zhǎng)期預(yù)報(bào)值。

1.2.2 計(jì)算參數(shù)

航速：5 kn，18 kn；水深：無(wú)限水深；

浪向：0°～ 360°，步長(zhǎng)15°；

波幅：?jiǎn)挝徊ǚ?/p>

相位：0；

波浪頻率：0.2 ～ 2.0 rad/s，步長(zhǎng)0.05 rad/s；海浪譜：采用ISSC推薦的雙參數(shù)PM譜；波浪散布圖：采用IACS推薦的NO.34北大西洋海況；

計(jì)算橫剖面：根據(jù)目標(biāo)船的站位選取載荷計(jì)算的剖面，從船首至船尾共20個(gè)計(jì)算剖面。

1.2.3 船體波浪誘導(dǎo)運(yùn)動(dòng)及垂向波浪載荷的傳遞函數(shù)計(jì)算

短期海浪可視為均值為0的平穩(wěn)正態(tài)隨機(jī)過(guò)程，此時(shí)船體對(duì)波浪的響應(yīng)，可看作是線性時(shí)不變系統(tǒng)。由隨機(jī)過(guò)程理論可知，在海浪的作用下（輸入），其響應(yīng)—波浪載荷（輸出）亦將是均值為0的平穩(wěn)正態(tài)隨機(jī)過(guò)程。本文運(yùn)用COMPASSWALCS軟件進(jìn)行頻率響應(yīng)函數(shù)計(jì)算，在此僅列出縱搖運(yùn)動(dòng)頻率響應(yīng)曲線，結(jié)果見(jiàn)圖2。

進(jìn)行設(shè)計(jì)波載荷選取的時(shí)候，以垂向波浪彎矩作為設(shè)計(jì)載荷，故僅列出迎浪時(shí)船舯剖面垂向彎矩My的頻率響應(yīng)曲線，垂向彎矩響應(yīng)幅值隨著航速的增加而增加，迎浪是最關(guān)鍵的浪向，結(jié)果見(jiàn)圖3。

1.2.4 長(zhǎng)期預(yù)報(bào)

認(rèn)為由各種不同海情、航行狀態(tài)所組成的短期分布彼此相互獨(dú)立，那么長(zhǎng)期概率分布則是各短期概率分布的加權(quán)組合。在得到剖面載荷的頻率響應(yīng)函數(shù)后，根據(jù)概率論和數(shù)理統(tǒng)計(jì)原理對(duì)剖面載荷進(jìn)行長(zhǎng)期預(yù)報(bào)，取超越概率水平為10-8，結(jié)果見(jiàn)圖4。

根據(jù)對(duì)比所用規(guī)范的載荷計(jì)算結(jié)果，選取與規(guī)范相同的分離因子，得到中拱和中垂設(shè)計(jì)載荷（參見(jiàn)表1）。

表1 線性長(zhǎng)期預(yù)報(bào)值與規(guī)范值對(duì)比

將線性長(zhǎng)期預(yù)報(bào)值與BV規(guī)范計(jì)算值對(duì)比，結(jié)果如表1所示?？梢钥闯?，兩個(gè)航速下線性長(zhǎng)期預(yù)報(bào)值均小于規(guī)范值，其中航速為18 kn時(shí)，線性預(yù)報(bào)值與規(guī)范值較為接近。

1.3 非線性波浪載荷計(jì)算

1.3.1 計(jì)算方法

在計(jì)算船體非線性波浪載荷時(shí)，用到的船體水動(dòng)力網(wǎng)格與計(jì)算線性載荷時(shí)有所不同，考慮到自由液面及船體幾何表面的非線性，此時(shí)水動(dòng)力網(wǎng)格模型包含整個(gè)船體外板，求解原理簡(jiǎn)介如下：

非線性波浪載荷在時(shí)域里求解的運(yùn)動(dòng)方程為：

對(duì)于船體剖面載荷，由式（1）變形后解出主坐標(biāo)；利用模態(tài)疊加原理，就可以得到船體結(jié)構(gòu)的位移彎矩和剪切力其中m為各階模態(tài)。

1.3.2 計(jì)算結(jié)果

采用時(shí)域算法進(jìn)行非線性波浪載荷求解，取波長(zhǎng)船長(zhǎng)比為1.0，浪向?yàn)橛?，分別取航速為5 kn，波高為8 m、12 m、14 m、17 m、20 m、21 m、24 m；航速為18 kn，波高為3 m、6 m、8 m、10 m、11 m、12 m、13 m、14 m；波高為8 m，航速為5 kn、8 kn、12 kn、15 kn、18 kn；波高為12 m，航速為5 kn、8 kn、12 kn、15 kn、18 kn。計(jì)算各波高、航速組合下的非線性波浪合成彎矩，分析高頻和低頻濾波，得到相應(yīng)的低頻波浪彎矩和高頻砰擊彎矩，結(jié)果如圖5和圖6所示。

可見(jiàn)，航速為5 kn時(shí)，波浪彎矩隨波高的變化基本呈線性變化趨勢(shì)。航速為18 kn、波高＜8 m時(shí)，波浪彎矩基本呈線性變化；波高＞8 m后，隨著波高增加，波浪彎矩增加較顯著，而砰擊彎矩增加速度更快，大波高時(shí)甚至超過(guò)波浪彎矩。 波高8 m和12 m時(shí)的彎矩成分隨航速變化如圖7、圖8所示。

可見(jiàn)，當(dāng)波高為8 m時(shí)，中拱波浪載荷隨航速變化基本呈線性變化，中垂波浪載荷在航速較低時(shí)亦呈線性變化；當(dāng)航速較高時(shí)，波浪彎矩和砰擊彎矩變化增大，非線性效應(yīng)顯現(xiàn)；當(dāng)波高為12 m時(shí)，波浪彎矩隨航速呈線性變化，而砰擊彎矩在航速高于12 kn后變化明顯，當(dāng)航速為18 kn時(shí)，甚至超過(guò)波浪彎矩。這一切說(shuō)明砰擊彎矩受航速影響較大。

中拱中垂分離現(xiàn)象隨著航速和波高增大也日益明顯，分離因子亦相應(yīng)放大。

2 船模試驗(yàn)

為驗(yàn)證波浪載荷理論計(jì)算結(jié)果，還開(kāi)展了船模試驗(yàn)。船?？s尺比為1 ∶ 50，船體外殼采用玻璃鋼材料，并配備沿船長(zhǎng)分布的變截面龍骨梁，龍骨梁標(biāo)定參見(jiàn)圖9。

試驗(yàn)結(jié)果采用模型與實(shí)船的縮尺換算關(guān)系進(jìn)行處理，將模型所測(cè)得的壓力信號(hào)換算到實(shí)船，以航速18 kn為例，列出目標(biāo)船在波長(zhǎng)與船長(zhǎng)比為1.0迎浪時(shí)各波高下的試驗(yàn)時(shí)歷曲線（波浪彎矩由合成彎矩時(shí)歷曲線低頻濾波得到），參見(jiàn)圖10。

可見(jiàn)，船體波浪載荷中不僅包含低頻的波浪彎矩，而且還有高頻的砰擊彎矩存在，波高較小時(shí)，合成彎矩中波浪彎矩占主要比例，隨著波高增大，砰擊彎矩成分在合成彎矩中所占比例也相應(yīng)增大。

3 試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析

3.1 非線性方法時(shí)域解與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

基于三維時(shí)域非線性水彈性理論，選取不同航速下目標(biāo)船在迎浪典型工況下的時(shí)域解，并與模型試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，得出如圖11—圖16所示結(jié)果。圖中的橫坐標(biāo)為時(shí)間（無(wú)因次），縱坐標(biāo)為波浪合成彎矩（無(wú)因次）。

3.1.1 航速為5 kn、波長(zhǎng)與船長(zhǎng)比為1.0、迎浪

工況下的不同波高結(jié)果對(duì)比

3.1.2 實(shí)船航速為18 kn、波長(zhǎng)與船長(zhǎng)比為1.0迎浪工況下不同波高結(jié)果對(duì)比

從上述時(shí)域結(jié)果比較圖可見(jiàn)：當(dāng)波高較小、航速較低的情況下，目標(biāo)船的非線性理論計(jì)算結(jié)果與模型試驗(yàn)結(jié)果吻合較好； 當(dāng)波高較大、航速較高時(shí)，波浪載荷的非線性現(xiàn)象比較明顯（理論計(jì)算結(jié)果與模型試驗(yàn)結(jié)果有些偏差）。

3.2 設(shè)計(jì)載荷對(duì)比

將BV規(guī)范載荷、線性預(yù)報(bào)載荷、非線性預(yù)報(bào)載荷和試驗(yàn)載荷進(jìn)行對(duì)比分析，其中規(guī)范值與線性計(jì)算值沒(méi)有考慮砰擊載荷的影響，非線性理論計(jì)算與試驗(yàn)值中均包含砰擊載荷。分別對(duì)比結(jié)果參見(jiàn)表2與圖17。

表2 考慮砰擊彎矩時(shí)的設(shè)計(jì)載荷對(duì)比

對(duì)非線性計(jì)算值與試驗(yàn)值進(jìn)行濾波處理，分離出低頻波浪彎矩與高頻砰擊彎矩，將其波浪彎矩值對(duì)比如下（參見(jiàn)表3和圖18）。

表3 不考慮砰擊彎矩時(shí)的設(shè)計(jì)載荷對(duì)比

由上述對(duì)比結(jié)果可見(jiàn)：由于規(guī)范值與線性計(jì)算值未考慮砰擊載荷的影響，這與船體在波浪中航行時(shí)的情況有偏差，故其計(jì)算結(jié)果偏小，而非線性計(jì)算值考慮到砰擊載荷的影響，與試驗(yàn)值較為吻合。

4 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)目標(biāo)船船體波浪線性和非線性載荷（包括砰擊載荷）進(jìn)行預(yù)報(bào)，并與BV規(guī)范的計(jì)算結(jié)果和船模試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，得到以下結(jié)論：

（1）該船船型特殊，外飄砰擊明顯，特別是當(dāng)波高較大、航速較高時(shí)，砰擊載荷水平更高，在合成彎矩中所占的比例也更大。

（2）隨著航速和波高增大，中拱中垂分離的現(xiàn)象也愈發(fā)明顯，此時(shí)分離因子也相應(yīng)放大。

（3）由于未考慮砰擊載荷的影響，線性預(yù)報(bào)誤差很大，BV規(guī)范計(jì)算的結(jié)果與線性預(yù)報(bào)結(jié)果較接近，與非線性預(yù)報(bào)和試驗(yàn)結(jié)果相差較大，說(shuō)明對(duì)此類新船型并不適用；因此采用非線性預(yù)報(bào)方法很有必要。

（4）與試驗(yàn)結(jié)果相比，非線性預(yù)報(bào)方法有一定精確度。本船在18 kn時(shí)，誤差尚處于可接受范圍，但隨著航速進(jìn)一步提高，誤差也會(huì)進(jìn)一步增大，此外，計(jì)算時(shí)水動(dòng)力系數(shù)的選取則需根據(jù)船型、航速、海況等綜合因素予以確定，對(duì)計(jì)算者的經(jīng)驗(yàn)要求較高。

（5）設(shè)計(jì)載荷的非線性結(jié)果略大于試驗(yàn)值，可指導(dǎo)實(shí)船設(shè)計(jì)，結(jié)果較為安全。

［1］ 劉應(yīng)中， 繆國(guó)平.船舶在波浪上的運(yùn)動(dòng)理論［M］.上海：上海交通大學(xué)出版社，1987.

［2］ 戴遺山，段文洋.船舶在波浪中運(yùn)動(dòng)的勢(shì)流理論［M］.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2008：20-35．

［3］ 戴遺山. 艦船在波浪中運(yùn)動(dòng)的頻域與時(shí)域勢(shì)流理論［M］.北京：國(guó)防工業(yè)出版社， 1998.

［4］許晟 譯，辛仲 校. 三維非線性波浪載荷和結(jié)構(gòu)響應(yīng)仿真技術(shù)在艦船設(shè)計(jì)中的應(yīng)用［J］. 國(guó)外艦船工程，1998（3）：1-10.

［5］ 陶智祥，戴仰山.外張砰擊載荷［J］.中國(guó)造船， 1991（4）：43-51.

Wave loads prediction of large scale new type ship

XIAO Wu1WANG Hai-yang2
(1. Surface ship bureau of the naval armaments department, Beijing 100841, China; 2. Marine Design & Research Institute of China, Shanghai 200011, China)

Considering the hull line characteristics of a new-type ship, the linear and non-linear wave loads, including the slamming loads, are predicted by the COMPASS-WALCS software. Then the calculation results are compared with the results calculated by the BV rules and the experimental results. It shows that the accuracy of the predicted nonlinear wave loads is fairly sufficient, which can be used to guide the ship design.

large scale; new ship type; nonlinear; slamming loads; ship model test

U661.4

A

1001-9855（2017）04-0039-08

10.19423 / j.cnki.31-1561 / u.2017.04.039

2017-05-10；

2017-06-27

肖 武（1990-），男，工程師。研究方向：艦船總體設(shè)計(jì)。

王海洋（1986-），男，碩士，工程師。研究方向：艦船結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。