破損艦船在波浪中的響應預報與試驗研究

馮乾棟，胡嘉駿，張 凡，耿彥超

(中國船舶科學研究中心，江蘇 無錫 214082)

破損艦船在波浪中的響應預報與試驗研究

馮乾棟，胡嘉駿，張 凡，耿彥超

(中國船舶科學研究中心，江蘇 無錫 214082)

為研究艦船破損后在波浪中的響應，開展艦船在完整正浮狀態以及破損后傾斜狀態的模型試驗。基于三維線性勢流理論，使用三維頻域方法對模型破損前后的響應做數值預報。與試驗結果相比，數值預報結果符合較好，驗證了預報方法的合理性。最后，通過與該艦船模型破損前的響應結果對比，研究分析破損對艦船在波浪中響應的影響。

破損艦船；模型試驗；三維頻域方法

0 引 言

雖然航海技術不斷進步，由于擱淺、碰撞等意外情況，艦船仍然難免面臨著出現結構破損導致海水淹艙的危險。船舶破損艙室進水后，船身不僅吃水增加，并且會失去正浮產生傾斜，如果再遭遇惡劣海況，船身結構極可能會進一步破損，從而造成海難。因此，對于艦船破損后在波浪中的響應研究很有現實意義。

自從“愛沙尼亞”號滾裝船海難后，不少國外學者對艦船破損后的響應預報以及試驗展開研究。Emin Korkut等[1-2]分別制作了完整以及破損的滾裝船模型，通過水池試驗比較了滾裝船破損前后的運動響應與波浪載荷。Chan等[3-4]使用二維切片理論，在時域內考慮了船體大幅值運動時劇烈變化的濕表面影響，預報了破損滾裝船在規則斜浪中的非線性運動與波浪載荷。Lee等[5]考慮船體多種破損情況，使用了源匯分布法求解了破損后非對稱剖面的二維輻射和繞射流場，利用線性切片理論預報了船舶破損后的波浪載荷，并展開了模型試驗與數值預報做了對比。

在國內，吳明遠、青兆熹[6-7]采用三維方法在頻域內計算了船體周圍的速度勢分布，預報了船舶橫傾后的6自由度運動與波浪載荷。這些研究都獲得了有益的結果，但是都尚未開展模型試驗，其理論預報結果缺乏模型試驗的驗證。

本文通過開展模型試驗與數值預報，研究艦船發生第一類艙室破損，由艙室淹水導致的船身傾斜與吃水增加對船體運動與波浪載荷的影響。在模型試驗方面，本文分別開展完整正浮與破損后橫傾的艦船模型對比試驗，測量該模型在2種狀態下在頂浪規則波中的響應。另外，本文基于三維勢流理論，使用三維奇點分布法求解非定常流場，進而對模型的運動響應與波浪載荷進行數值預報，并將數值預報同模型試驗結果進行比較驗證。

1 破損艦船三維線性頻域預報方法

1.1 三維速度勢求解

(1)

式中：ωe為遭遇頻率；n為船體表面單位法矢量，在細長船體假設下，本文取簡化形式的mj，即(m1,m2,m3)=(0,0,0)， (m4,m5,m6)=(0,n3,-n2)。

(2)

通過簡化，帶有航速的自由面條件與零航速情況形式相同，只需以遭遇頻率ωE代替自然頻率ω，從而使得有航速速度勢的求解可轉換為零航速問題。

簡化后的船體三維速度勢可以通過三維奇點分布法來求解：采用面元法將連續物面(船體平均濕表面)離散，使用零航速的三維自由面Green函數建立分布源方程組，求解得到面元中心處的源強與Green函數后，使用分布源積分方法即可求解出船體周圍的三維速度勢。

1.2 破損艦船在規則波中的運動與波浪載荷計算

假設艦船發生第一類艙室破損，即艙的頂部位于水線以下，船體破損后海水灌滿整個艙室，因此本文不考慮淹艙水晃蕩對于船體運動與載荷的影響。

(3)

式中，η為船體的穩態運動響應；M為質量矩陣；C為靜水回復力矩陣；A和B分別為附加質量矩陣以及附加阻尼矩陣；fw為波浪激勵力。

由于船舶破損后具有一定橫傾，船體質量分布、靜水浮力不再關于中縱剖面對稱，所以破損船運動方程中的質量矩陣M與靜水回復力矩陣C與破損前有所不同。

(4)

完好的船舶由于水線面左右對稱，靜水恢復矩陣中有5項不為0，而非正浮破損船的水線面不再對稱，其靜水回復力矩陣C中有9項不為0：

(5)

式中：Awp為水線面面積;Sx為水面線對x軸的靜矩;Sy為水面線對y軸的靜矩；Jxy為水面線對原點的靜矩;hx為橫穩性高;hy為縱穩性高。

通過式(3)求解得到六自由度運動后，船中剖面處的波浪載荷Q可以通過下式計算：

(6)

式中p為各面元處的脈動壓力。

2 船模試驗

本文分別對完整正浮與破損后橫傾的艦船模型進行了試驗，測量了該模型2種狀態下在頂浪規則波中的響應。船模試驗在中國船舶科學研究中心05耐波性水池中進行，該水池長69 m,寬46 m，水深4 m，在長、短兩邊布置有搖板式造波機。試驗采用某深V型艦船模型，其主要參數如表1所示。模型為分段龍骨梁型玻璃鋼自航船模，共分4段，用測量梁連接。

表1 船模主要參數Tab.1 Principal dimensions of ship model

為了開展破損后橫傾的船體模型試驗，本次試驗通過使用壓載來模擬艦船2處破損后的淹艙水。在重心前后60 cm處分別放置7 kg壓載，其在橫剖面內的位置如圖1所示，測得船體產生橫傾7.8°(左傾)。圖2為水池中的試驗模型。

試驗都在規則波中進行，波高取82.5 mm，使用的波長范圍：λ/L=0.4～2.5， 船模航速V=0，0.813 m/s，對應的Fr=0，0.128。在船模重心處放置陀螺儀，用于測量船體垂蕩與縱搖響應。在水池測量小車上，位于模型前約1.5 m處安裝1臺伺服式浪高儀，用來測量試驗時模型遭遇的波浪。

圖1 壓載在橫剖面內的位置Fig.1 Position of load in crosssection

圖2 水池中的試驗模型Fig.2 Test model in the pool

3 破損前后響應對比分析

根據三維線性頻域理論對該船模破損前后在規則波中的響應進行計算，并與試驗結果比較分析。圖3和圖4分別為破損前后的縱搖、垂蕩響應，圖5為破損前后的垂向波浪彎矩。

圖3 縱搖RAO比較Fig.3 Comparison of pitch′s RAO

圖4 垂蕩RAO比較Fig.4 Comparison of heave′s RAO

圖5 船中垂向波浪彎矩RAO比較Fig.5 Comparison of V.B.M′s RAO in mid-ship

由圖3～圖5可看出:

1)試驗結果與理論預報結果均顯示：當船體發生破損后，船體縱搖響應減小，在V=0.813 m/s時更為明顯；船體垂蕩運動基本不變。

2)與完整正浮時相比，破損后的船體垂向波浪彎矩在峰值附近有較明顯的增大，試驗結果在V=0.813 m/s時峰值增加8.32%。

3)理論預報能夠正確反映出船體破損后在波浪中的響應變化，且與試驗結果符合較好，但理論預報的縱搖響應與波浪彎矩峰值比試驗值偏大。

4 結 語

為了研究艦船破損前后在波浪中響應的變化，本文開展了船模水池試驗并做了理論預報。通過對比分析，理論預報結果與試驗結果符合較好，驗證了理論計算方法。理論預報與試驗結果均顯示：該艦船發生破損后，縱搖響應減小，垂蕩響應基本不變，垂向波浪彎矩在峰值附近有較明顯的增大。垂向波浪彎矩的增加對破損后的艦船結構十分不利，有可能會使得艦船出現進一步的破損。通過開展對艦船破損前后在波浪中響應的變化的研究，可為對艦船破損后生命力的研究提供依據。

[1] KORKUT E,ATLAR M,INCECIK A.An experimental study of global loads acting on an intact and damaged Ro-Ro ship model[J].Ocean Engineering,2005,32:1370-1403.

[2] KORKUT E,ATLAR M,INCECIK A.An experimental study of motion behavior with an intact and damaged Ro-Ro ship model[J].Ocean Engineering, 2004,31:483-512.

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[4] CHAN HS,ATLAR M,INCECIK A.Global wave loads on intact and damaged Ro-Ro ships in regular oblique waves[J].Marine Structures,2003,16:323-344.

[5] LEE YW,CHAN HS,PU YC,et al.Global wave loads on a damaged ship[R].Lloyd′s Register,2012.

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WU Ming-yuan.Study of 3D calculation method of damaged ships' motion and wave load[D].Harbin:Harbin Engineering University.2007.

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QING Zhao-xi.Study of calculation method of damaged ships′ motion and wave load[D].Harbin: Harbin Engineering University.2007.

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DAI Yang-shan,SHEN Jin-wei.Ship wave loads[M].Beijing:National Defense Industry Press,2007.

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ZOU Yuan-jie, DUAN Wen-yang,REN Hui-long,et al.Three-dimensional method for prediction of oscillation pressure on ship waves[J].Journal of Harbin Engineering University,2002,23(1):20-25.

Prediction and model test of responses of damaged vessels in waves

FENG Qian-dong,HU Jia-jun,ZHANG Fan,GENG Yan-chao

(China Ship Scientific Research Center,Wuxi 214082,China)

Aimed at studying the responses of damaged vessels in waves, intact and damaged vessel models′ tests were carried out. Numerical predictions to the responses of intact and damaged vessels in waves were made by using 3D linear potential theory in frequency domain. Numerical predictions match the results of models tests well, verifying the prediction theory. Finally, the influence of damage to the vessel′s responses in waves was analyzed by comparing the responses with the intact vessel′s.

damaged vessels;model test;three-dimensional method in frequency domain

2013-12-27;

2014-02-19

馮乾棟(1989-)，男，碩士研究生，研究方向為船舶與海洋工程環境載荷。

U661.32

A

1672-7649(2014)11-0029-04

10.3404/j.issn.1672-7649.2014.11.006