國際船舶波浪載荷研究最新動向

本刊記者 崔 燕

近年來，隨著船舶尺度不斷向大型化趨勢發展，一些與載荷相關的問題應運而生。由船舶顫振和波激所引發的船舶損壞引起了IMO、IACS、船舶工業界和學術界的廣泛關注。同時，IACS正在制定的HCSR（協調共同結構規范）對原有CSR BC和OT的載荷要求進行了協調。協調后的規范對于船型開發提出了更高的要求。為促進國內外載荷領域的專家、學者開展技術交流，2012年5月10日至11日，由哈爾濱工程大學、中國船級社（CCS）和法國船級社（BV）三家單位共同發起的“國際船舶波浪載荷及其應用研究專題研討會”在哈爾濱工程大學舉行。中國船舶工業行業協會、哈爾濱工程大學、中國船級社、法國船級社的相關領導、專家及國內主要船舶設計單位、船舶制造行業及研究所、各大院校主要技術負責人共六十余人參加了會議。本次會議搭建了一個高層次技術交流的平臺，來自國內外波浪載荷、水動力分析等相關領域的著名專家和學者，就當前國際波浪載荷技術研究的最新動向和研究進展，及業內共同關心的熱點問題進行了深入的交流與探討。會議共進行了12篇論文的宣讀和交流，內容囊括IACS最新的HCSR載荷內容介紹、國際熱點的波激振動問題、新興的FLNG靠泊問題等一系列關鍵技術介紹。與會專家、學者對論文內容表現出了濃厚的興趣，交流討論十分熱烈。會議促進了國內外載荷領域專家的技術交流，增進了彼此的了解，收到了良好的預期效果。

HCSR將協調原CSR的載荷要求

波浪載荷對船舶與海洋工程結構物的結構和安全來說，起著至關重要的作用，是船舶結構規范的核心內容和重要基礎。對于常規船舶，各船級社都有現成的經驗公式用于預報船舶設計波浪載荷。但對于一些超大型、超尺度比船舶，傳統的經驗公式變得不再適用。針對這類船舶的結構評估計算，往往需要采用載荷直接計算的方法對作用在結構上的載荷進行分析，并映射到結構模型進行評估。

近年來，新規則、新規范不斷出臺，其中最典型代表的IMO目標型標準（GBS）對船舶結構規范要求的基礎和核心之一就是波浪載荷的研究。在國際金融危機和航運市場萎縮的大環境下，為了開拓市場、爭取訂單，新船型的開發無疑成為各船廠、設計單位最有力的競爭手段，而新船型的開發必須滿足日益嚴格的新規則、新規范的要求。

為滿足IMO GBS要求，IACS正在加緊制定和完善協調共同結構規范（HCSR）。HCSR 將采用三維線性波浪載荷理論，對原有CSR BC和OT的載荷要求進行協調。按照IACS的時間表，2012年7月1日，HCSR第一版將正式對外發布。及早了解HCSR波浪載荷部分的要求對于工業界盡快掌握HCSR并應用于原有CSR船型的評估和滿足HCSR要求的新船型開發具有重要的現實意義。

據BV陳曉波博士（IACS HPT01載荷協調組組長）介紹，HCSR載荷部分的研究是在CSR油船和散貨船要求的基礎上，分別在涉及載荷計算的運動和加速度要求、船體梁載荷要求、載荷工況要求、外部載荷要求，以及內部載荷要求等方面進行協調。協調之后的HCSR在工況表達上將更為清晰，更能滿足需求。目前，對于是否完全符合GBS的要求，陳曉波博士表示差距分析的工作還在HPT01內部進行之中。

波激振動及其疲勞損傷

船體結構波激振動的研究是業界最前沿的研究課題之一。進入21世紀以來，民用船舶的大型化發展趨勢愈發明顯。隨著船舶主尺度的增加，波激振動和顫振引發的船舶損壞開始逐漸引起人們的重視，對波激振動和顫振現象開展研究的重要性也不斷提升。船舶在海上航行時船體梁的波激振動響應會使船體結構遭受到持續的疲勞載荷的作用，導致船舶在營運階段產生嚴重的疲勞破壞，一方面增加船東的維修成本，另一方面也增加了安全隱患。

中船重工第七○二所在該領域的研究處于國內領先地位。據該所汪雪良高級工程師介紹，近年來，中船重工第七○二所在船舶波激振動及其疲勞損傷領域開展了深入的系統模型試驗和理論研究，研究對象包括30萬噸級超大型油輪、50萬噸級超大型礦砂船和15.68萬方的大型LNG船。根據介紹，中船重工第七○二所采用三維水彈性理論對波激振動進行了理論預報，并采用模型試驗方法對波激振動現象進行深入的分析，研究了船舶線型、結構阻尼、結構剛度、裝載狀態等因素對波激振動的影響，對大型船舶由波激振動引起的結構疲勞損傷進行了分析評估。結合波激動振動對結構疲勞損傷的影響分析，中船重工第七○二所的研究人員提出了船體結構疲勞載荷設計計算修正公式，引起了與會專家的廣泛關注和熱烈討論。

船體振動響應的三維水彈性分析

船舶在海上航行時，會產生不同程度的振動，無論是船體總振動還是上層建筑局部振動，都能引起船體結構和設備部件的疲勞損壞，同時影響人員舒適程度。因此，船舶振動越來越受到船舶設計、建造方和船東的重視。中國船級社（CCS）田超博士介紹了基于三維水彈性理論的LNG船波激振動的研究情況。以一艘大型LNG船為計算對象，進行了船體自由振動和在螺旋槳激勵下的受迫振動響應計算，得出了船體梁總振動固有頻率以及船體尾部和上層建筑的振動響應。初步計算結果表明，對于船體梁總振動固有頻率，經驗公式估計方法結果偏大，而采用傳統切片理論回歸公式來估算附連水質量得到的結果略偏?。粚β菪龢钕碌拇w結構受迫振動響應，預報的與實測結果較為吻合；研究結果表明，三維水彈性力學方法可以用于船舶設計階段對船體振動響應特性的預報，能夠得到較為合理可靠的結果。

由于船舶振動問題涉及船體及周圍流場的相互作用，且上層建筑涉及大量局部模態，其振動響應預報顯得尤為復雜，水彈性理論的振動預報應用方面只做了初步的探索，得到了一些有益的特性預報及對結構減振改進方案的評估，具有一定的工程實用價值。