黃儀平

進(jìn)才中學(xué)

1 引言

本文所研究的8000t 工程船與橋墩碰撞場景的研究屬于近靠浮體水動力問題，從上世紀(jì)以來對此問題的理論研究已十分深入。利用AQWA軟件探討主尺度相差較大的大型船舶與橋墩在小間隙狀態(tài)下直接水動力相互作用是此次分析的要點(diǎn)。AQWA 主要應(yīng)用于解決浮體在各類環(huán)境載荷（包括風(fēng)、浪、流載荷）作用下的運(yùn)動響應(yīng)、系泊定位、海上安裝作用、船舶航行以及波浪載荷等問題，本文將該方法應(yīng)用于某8000t工程船與橋梁碰撞場景研究。分別建立工程船單獨(dú)情況下不同工況的水動力模型以及工程船靠近橋墩的水動力雙體耦合模型，利用頻域水動力分析求解工程船舶及橋墩浮體結(jié)構(gòu)的靜水剛度、附加質(zhì)量、輻射阻尼、一階波浪力（包括繞射力）并通過設(shè)計波的創(chuàng)建，結(jié)合海浪譜，重點(diǎn)分析其橫蕩和縱蕩速度加成時的響應(yīng)極值。本文研究的方法可在工程上提供一定的借鑒意義，為碰撞場景響應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)化研究提供實(shí)際應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。

2 模型參數(shù)及設(shè)計波選擇

2.1工程船及橋墩浮體模型參數(shù)

距統(tǒng)計，我國近海大多數(shù)工程船排水量在8000噸級左右，因此本文選取一艘同量級的工程船作為研究對象，在不同工況下進(jìn)行分析計算；橋墩浮體以排列形式靠置于船體模型附近。坐標(biāo)軸選用笛卡爾坐標(biāo)系，x正向指向船艏，y軸正向指向右舷，z軸正向豎直向上，水動力模型計算其附加質(zhì)量及阻尼矩陣。表1為船體數(shù)據(jù)，圖1為模型及碰撞場景。通過船體的水動力模型，利用頻域水動力分析獲得工程船舶及橋墩浮體結(jié)構(gòu)的靜水剛度、附加質(zhì)量、輻射阻尼、一階波浪力（包括繞射力），為計算船體運(yùn)動的頻率響應(yīng)傳遞函數(shù)（RAO）做準(zhǔn)備。

表1 船體參數(shù)

圖1 船橋碰撞場景響應(yīng)模型

2.2 設(shè)計波及其碰撞場景參數(shù)設(shè)定

為探究由于橋墩浮體存在對船體在波浪下的運(yùn)動響應(yīng)影響，我們首先對船體的單體模型進(jìn)行水動力分析計算。當(dāng)船體靠近橋墩浮體時，在y 方向上間距8m。此間隙對于船體模型尺寸來說可以定義為小間隙。因此，在水動力計算時，對此處網(wǎng)格要精細(xì)劃分以保證計算的精確度。

海浪被視為由無限個頻率、方向、振幅及相位不同的簡諧波疊加而成的不規(guī)則波，這些特征在海浪譜中可以體現(xiàn)。船舶在航行時可以認(rèn)為是處于隨機(jī)海浪下的運(yùn)動，此時波浪載荷隨機(jī)且復(fù)雜變化，難以進(jìn)行精確計算。設(shè)計波的功能和效用就是等效設(shè)計出一系列規(guī)則波施加于船體上，而這些設(shè)計波的疊加正好能滿足一定概率水平下的海浪遭遇概率。而設(shè)計波由系列規(guī)則波組成，通過對正弦規(guī)則波的波高、跨零周期、有效入射浪向角以及波浪的相位組合，設(shè)計出一組或多組波浪條件滿足一定超越概率下，船體所在海域所能遭遇的實(shí)際海浪條件。

本文一方面采用確定性設(shè)計波法，確定性設(shè)計波的特征參數(shù)由波陡確定，波幅與對應(yīng)的RAO的乘積即為所要求的載荷預(yù)報極值。確定性設(shè)計波法的設(shè)計波采用波陡計算式，該波陡是整個設(shè)計波的核心參數(shù)，一般由長期的海洋環(huán)境統(tǒng)計資料數(shù)據(jù)通過擬合的概率曲線獲得的，如下式：

取SS= 0.07， 計算設(shè)計波波高HS，跨零周期TZ時，應(yīng)考慮到實(shí)際海況，計算有義波高最大取至15m，HS從1 取至15m 間隔0.5m。

另一方面，在進(jìn)行確定性設(shè)計波法之后，我們采取隨機(jī)性設(shè)計方法，它應(yīng)用了隨機(jī)海浪譜對海洋環(huán)境進(jìn)行分析，同時這種方法稱為譜分析法。因?yàn)檫@種方法充分考慮到了隨機(jī)這個概念，在工程應(yīng)用而言，這種方法比確定性方法更為合理和科學(xué)。譜分析方法是一種給定短期預(yù)報最有效的方法，結(jié)合合適的海浪譜和RAO譜生成響應(yīng)譜，其計算式如下式：

式中：

SR(?)——為響應(yīng)；

SW(?)——為波浪譜。

響應(yīng)譜滿足瑞利分布，根據(jù)響應(yīng)譜的n階距：

式中：

mnR——為運(yùn)動響應(yīng)的方差。

一般認(rèn)為短期海況符合窄帶的瑞利分布，船體的波頻運(yùn)動也近似處理為瑞利分布，這樣便可求得的運(yùn)動及速度的有義值。選取海浪譜，利用線性插值法獲得某海域下的波浪條件作為設(shè)計波進(jìn)行水動力分析。

3 單船運(yùn)動響應(yīng)模型

3.1 單船運(yùn)動RAO

RAO 也稱作傳遞函數(shù)，它反應(yīng)了波浪激勵船體運(yùn)動的表現(xiàn)形式，可以得到單位幅值波浪激勵下工程船的運(yùn)動響應(yīng)，由此分析船體的水動力性能。

圖3

結(jié)合波浪散布圖取法的設(shè)計波譜，獲得相應(yīng)波高及周期數(shù)據(jù)，利用AWQA生成波浪譜，結(jié)合橫蕩及縱蕩響應(yīng)傳遞函數(shù)RAO獲得響應(yīng)譜，再利用其分布統(tǒng)計特征，求得單船工況下的響應(yīng)速度極值。

3.2 船-橋運(yùn)動響應(yīng)模型

由于橋墩浮體的存在，入射波在遭遇到船體的同時也會遭遇到橋墩多浮體的影響，這樣便會產(chǎn)生除了船體自身的輻射勢、繞射勢之外的運(yùn)動響應(yīng)速度勢。這些速度勢包括了由橋墩浮體在遭遇到波浪后所產(chǎn)生的反射勢，橋墩浮體自身的繞射勢等。這些速度勢的疊加會對船體自由震蕩產(chǎn)生效果，即船體在單位幅值波浪激勵下工程船的運(yùn)動響應(yīng)RAO會發(fā)生變化。此時，結(jié)合對應(yīng)的海浪譜所得到的響應(yīng)譜也會有所差異，最為關(guān)心的船體橫蕩速度極值的變化成為了橋墩浮體存在下的變量條件。通過計算分析，得到橋墩浮體存在情況下從船體運(yùn)動響應(yīng)傳遞函數(shù)RAO。由結(jié)果可以分析得到，相對于單體模型RAO 響應(yīng)，耦合模型的RAO 發(fā)生了較為明顯的變化。六個自由度上RAO 峰值都有明顯的升高，橫蕩、縱搖的RAO 在波頻30～40s 時受反射勢、繞射勢等影響出現(xiàn)了突變現(xiàn)象。由單船模型數(shù)據(jù)可知，為簡化模型，船橋碰撞時重點(diǎn)考慮橫蕩速度對船橋運(yùn)動響應(yīng)的影響。由結(jié)果得知，在相同的波浪譜條件下，橫蕩速度極值隨波高的增加呈線性增長，船橋運(yùn)動的速度響應(yīng)極值相比于單船運(yùn)動有較為明顯的升高。由結(jié)果明顯得到船體在相同的波浪譜條件下，船橋模型的橫蕩速度極值有較為明顯的升高。對于一般過程的船體而言，速度的增幅不僅僅代表了速度本身，隨著船舶越來越大型化，大質(zhì)量的前提下發(fā)生的碰撞，其動能的增量是非常巨大的，對于碰撞所產(chǎn)生的后果也是不可估量的。

4 創(chuàng)新點(diǎn)及應(yīng)用

通過上述分析，分別對單船運(yùn)動和船橋運(yùn)動兩種響應(yīng)模型的分析，可得到如下結(jié)論：（1）在相同的波浪譜條件下，橫蕩速度極值隨波高的增加成線性增長，船橋運(yùn)動的速度響應(yīng)極值相比于單船運(yùn)動有較為明顯的升高。（2）船橋運(yùn)動響應(yīng)因流體發(fā)生耦合，其響應(yīng)速度極值發(fā)生了較為明顯的變化，六自由度上RAO峰值有明顯的升高，其中，橫蕩、縱搖的RAO 在波頻30s～40s 時受反射勢、繞射勢等影響出現(xiàn)了突變現(xiàn)象。（3）速度響應(yīng)的突變對于千噸級的大質(zhì)量船舶而言，發(fā)生碰撞的動能增量巨大，隨著船舶速度的增加對應(yīng)的動能將會更大，對橋墩的沖擊力將會更大，這對橋墩的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求提出了更高的要求。(4)對于同種類型船舶，本文所研究的8000t級工程船的速度響應(yīng)可供工程實(shí)際參考。國內(nèi)研究碰撞場景的方式大多基于特定領(lǐng)域的某一特定事故發(fā)生之后進(jìn)行分析，無法提前對船橋碰撞的不確定性風(fēng)險進(jìn)行預(yù)報，本文具有一定借鑒作用。在國內(nèi)未有成體系的標(biāo)準(zhǔn)研究供橋墩進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核，本文試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)可供參考。

5 結(jié)束語

通過分別對單船和船橋模型響應(yīng)場景分析可知，當(dāng)船體靠近橋墩浮體時，由于橋墩浮體得到存在，會對船體在波浪中的運(yùn)動特性發(fā)生較為明顯的變化。在結(jié)合相應(yīng)海浪譜分析響應(yīng)速度極值時，速度響應(yīng)會發(fā)生較為明顯的變化，對于大質(zhì)量的船舶而言，這個速度增加對應(yīng)的動能將會更大，對橋墩的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求提出了更高的要求。