基于AQWA的游艇水動力分析方法

撰文/廣東海洋大學工程學院　黃斯慧　呂鴻冠　黃技　李志安

?

基于AQWA的游艇水動力分析方法

撰文/廣東海洋大學工程學院黃斯慧呂鴻冠黃技李志安

利用海洋工程水動力分析軟件AQWA，在線性波浪條件下對一艘游艇進行水動力分析，得到該游艇在不同海浪入射方向上的轉動力矩及船體外板應力的時域變化規律，為游艇的前期設計及建造過程提供一種思路。

一、引言

游艇是一種新型的高級水上娛樂消費品，它集日常居家、海上觀光和休閑娛樂等功能于一身，滿足個人及家庭享受生活的需要。我國的游艇產業發展只有十幾年，相對歐美等發達國家，我國的游艇建造技術仍然處于相對落后的階段。但是，隨著我國經濟的迅猛發展，游艇產業形勢日益樂觀，特別是對于富裕階層的消費者，游艇已經成為必不可少的娛樂消費品。

由于游艇是一種較新的海上航行器，目前大部分船舶建造規范仍然不涉及游艇領域。直到近幾年，中國船級社CSS頒布了《游艇入級與建造規范》等文件，才讓游艇的建造過程相對規范化。但是，由于游艇結構的特殊性及功能的定制性，當面對廣大消費者的獨特設計需求時，游艇的結構強度與航行性能一直困擾著游艇工程師。因此，尋找一種新的計算游艇水動力性能的方法對我國的游艇產業的發展及游艇的安全性能有巨大的現實意義。

二、AQWA簡介

AQWA是一款海洋工程水動力性能的計算軟件，在日常的生產設計中，AQWA主要用于滿足各種結構流體動力學特性評估相關分析的需求。AQWA的分析范圍從桅、桁到FPSOs，從TLPs到半潛水系統，從停泊系統到救生系統，從漁船到大型船舶以及結構與流體間交互作用。

AQWA的計算模塊覆蓋流體分析的全部范圍：AQWA-LINE主要用于分析流體的衍射、輻射（包括淺水效應）；AQWA-FER主要用于分析具有隨機波的頻域；AQWA-DRIFT主要用于分析具有隨機波（包括慢漂流）的時域；AQWA-NAUT主要用于分析具有寬大波的非線性時域；AQWA-LIBRIUM主要用于分析包括停泊線的靜動穩定性。最后所有的模塊集成于強大的前后處理器AQWA——圖形超級用戶界面。因此，AQWA作為一款專業的海洋工程水動力分析軟件，在海洋航行器及海洋平臺的結構設計中一直具有不可取代的地位。

游艇產業作為一種新興的產業，目前市面上AQWA水動力分析在游艇設計中的應用十分稀少。由于游艇自身結構的特殊性，導致目前的船舶建造規范并不適用于游艇建造，即使近幾年中國船級社（CSS）頒布了有關游艇設計與建造的規范文件，但對于可定制性非常強的游艇來說，規范更新的速度遠遠低于游艇結構創新的速度，因此，通過較為成熟的水動力分析軟件AQWA輔助游艇的設計與建造具有實際的工程意義。

三、分析流程

1.分析模型簡介

該模型是一艘小型游艇，船長12.8m，型寬4.5m，型深2.5m，吃水0.8m，設計水線11.0m，游艇的Rhino渲染圖、型線圖、總布置圖如圖1～3所示。

圖1　游艇渲染圖

圖2　游艇型線圖

圖3　游艇總布置圖

2.AQWA分析流程

（1）建立分析項目。啟動ANSYS Workbench，在Toolbox中的Analysis Systems找到Hydrodynamic Diffractions，雙擊或拖曳到Project Schematic，并將游艇的模型IGS文件導入Geometry，如圖4、5所示。

圖4　建立AQWA游艇水動力分析項目

圖5　成功導入的游艇模型

（2）設計水線定義導入的模型為1：10的縮小模型，分析前應該將模型的大小調整為實船大小。在菜單欄里依次選擇Create-Body Transformation-Scale，將模型縮放比例改為10；再依次選擇Create-Body Transformation-Translate，將模型移動到XY Plan以下0.8m處，操作過程如圖6所示。

模型調整完畢后，依次點擊Create-Slice，以XY Plan為切割基準面對模型進行切割，如圖7所示。

（3）模型整理。將船殼上半部分命名為UpperHull，下半部分命名為LowerHull，并從這兩部分建立Part，以保證生成網格的連續性，這部分工作十分重要，如果不進行此項操作，則會導致后期的網格劃分失敗，操作如圖8所示。

圖6　模型的調整

圖7　進行水線切割后的模型

圖8　從切割模型建立新Part

至此，模型的前期處理工作已經完成，退出Geometry界面，進入Model進行有限元網格的建立。

（4）質量點定義。AQWA中默認將船體的重量集中于一個質量點（Point Mass），這個點與重心重合，且集中了整船的質量。定義質量點后，一共有四個參數需要手動設置，其中重心高度根據型線圖及總布置圖計算得到，另外三個參數根據表計算得到，參數計算結果如圖9所示。

表　質量點參數計算公式

圖9　質量點參數的計算結果

（5）網格劃分。選擇Tree中的Mesh，在Details of Mesh中的Defeaturing Tolerance中輸入0.1，在Max Element Size中輸入0.2，其他選項默認，點擊Generate生成網格。網格參數如圖10所示，網格劃分結果如圖11所示。

（6）波浪定義。點擊Tree中的Wave，選擇Wave Direction，將波浪方向定義為360°，其它參數保持默認，如圖12所示。

點擊Tree中的Wave，選擇Wave Frequency，將Details of Definition中的Highest Frequency Definition與Lowest Frequency Definition選項改選為Manual Definition，在Lowest Period中輸入25；Shortest Period中輸入15。點擊Generate，完成波浪周期的設置。波浪周期的詳細設置參數如圖13所示。

圖10　網格參數的定義

圖11　網格劃分結果

圖12　波浪入射角度

圖13　波浪周期的設置參數

四、分析結果展示

所有參數設置完畢后，點擊Solve進行求解。船體外板濕表面壓強的時域分布如圖14～16所示，不同波浪入射方向下船體各個自由度上收到的波浪力矩如圖17所示。

圖14　t=0T時船體的壓強分布

圖15　t=0.5T時船體的壓強分布

圖16　t=T時船體的壓強分布

圖17　不同波浪入射角度下船體各個自由度的力矩

五、結語

本文利用AQWA對一艘游艇進行水動力分析，并對詳細的分析流程進行展示和介紹。通過上述分析可以看出，AQWA作為一款成熟的海洋工程水動力分析軟件，在進行游艇分析時，具有一定的優勢。

（1）基于ANSYS Workbench平臺的操作，將分析流程規范化、參數化，從而大大降低了分析難度與精度。

（2）AQWA的模塊成熟且完整，可對游艇不同的水動力性能進行計算，并能輸出完整的水動力分析報告，大大簡化了分析工作量。

（3）Workbench平臺下的AQWA可輸出完整的分析數據，對于專業人員來說，可以將數據導入傳統模式下的AQWA進行底層操作，得到更加全面的水動力分析數據。