不對稱多體平臺波浪載荷分析

(海裝艦艇局，北京 100841)

目前針對不對稱多體平臺研究,歐洲設(shè)計了不對稱復(fù)合船型方案，俄羅斯提出了瀕海戰(zhàn)斗艦概念方案。國內(nèi)外學(xué)者對此類船型的研究報道集中于初穩(wěn)性、振動模態(tài)特性以及阻力性能優(yōu)化等方面[1-5]。少見該船型在波浪外載荷方面的研究報道，國內(nèi)外尚無直接適用的相關(guān)規(guī)范。為此，根據(jù)某不對稱多體平臺的設(shè)計資料，選用DNV開發(fā)的SESAM軟件中三維時域水動力計算模塊Wasim[6-7]進(jìn)行數(shù)值預(yù)報，分析該船型的波浪載荷特性分布。結(jié)合勞氏三體船規(guī)范，對比規(guī)范計算值與數(shù)值預(yù)報結(jié)果，分析規(guī)范的適用性，并對超出適用范圍的的規(guī)范公式提出修正方法，以期為后續(xù)同船型的設(shè)計及優(yōu)化提供參考依據(jù)。

1 波浪載荷數(shù)值計算

1.1 不對稱多體平臺計算模型

選用計算船舶的主尺度見表1，建立船體表面網(wǎng)格見圖1。

表1 不對稱多體平臺主尺度

圖1 不對稱平臺船體表面網(wǎng)格模型

不對稱多體平臺通過變化片體的縱/橫向布局位置生成5個方案，見表2。其中：A為片體尾部和主船體艉部的縱向相對距離，B為片體中縱剖面和主船體中縱剖面的橫向相對距離。

表2 片體布局方案參數(shù) m

1.2 波浪載荷特性分析

基于不對稱平臺在規(guī)則波浪作用下的頻響計算結(jié)果進(jìn)行特征載荷的長期預(yù)報，計算總體載荷隨浪向的分布見圖2。連接橋載荷隨浪向的分布見圖3。

圖2 總體載荷隨浪向的分布

圖3 連接橋載荷隨浪向的分布

1.2.1 沿船長的分布規(guī)律

總體載荷沿船長的分布見圖4。計算結(jié)果表明，垂向波浪彎矩Mw隨船長的分布規(guī)律與單體船基本一致，不同片體布局方案上的數(shù)值差異很小，說明與總縱彎曲相關(guān)的主要載荷由主船體決定；縱向轉(zhuǎn)矩Mlt隨船長的分布規(guī)律表現(xiàn)出與片體很大的相關(guān)性，布置有片體區(qū)域的Mlt遠(yuǎn)大于單獨(dú)主船體區(qū)域，同時隨著主船體與片體之間間距的增加，Mlt的載荷值不斷變大，且單峰形狀越明顯。

圖4 總體載荷沿船長的分布

1.2.2 片體位置及航速對載荷大小的敏感性分析

將不同片體位置布局在同一航速下的載荷的長期預(yù)報最大值和最小值之比定義為片體位置對該載荷的影響系數(shù)，將不同航速下片體位于同一縱向/橫向位置的載荷長期預(yù)報最大值和最小值之比定義為航速效應(yīng)對該載荷的影響系數(shù)，計算結(jié)果見表3～7。

由表3～表7可見，片體的縱向、橫向位置，以及航速對Mw的影響很小，片體橫向位置對Mlt、Msp、Qsp影響最大，航速對連接橋載荷Msp、Qsp的影響較大，在方案設(shè)計階段就需要予以關(guān)注。

表3 片體位置及航速效應(yīng)對Mw的影響N·m

表4 片體位置及航速效應(yīng)對Mlt的影響系數(shù)N·m

2 三體船規(guī)范適用性分析及修正

考慮到三體船與不對稱多體平臺在載荷特點(diǎn)上具有一定的相似性，通過將不同航速下的長期預(yù)報結(jié)果與勞氏三體船規(guī)范經(jīng)驗公式計算值進(jìn)行對比。

2.1 規(guī)范計算結(jié)果及適用性分析

依據(jù)規(guī)范對該不對稱平臺的設(shè)計波浪載荷進(jìn)行計算，其中設(shè)計波浪載荷包括船體梁縱向波浪載荷與連接橋橫向波浪載荷，各特征載荷的規(guī)范計算峰值見表7，總縱垂向彎矩Mw、縱向轉(zhuǎn)矩Mlt在船長上的分布情況見圖5。

表5 片體位置及航速效應(yīng)對Msp的影響系數(shù)N·m

表6 片體位置及航速效應(yīng)對橫向扭矩Mtt的影響系數(shù)N·m

對比波浪載荷數(shù)值結(jié)果和規(guī)范計算值，發(fā)現(xiàn)兩者存在一定的差距，從規(guī)范的適用性進(jìn)行分析。

1)勞氏三體船規(guī)范中的波浪載荷公式是結(jié)合“海神號”三體船的實船試驗結(jié)果修正而成，片體位置位于船中，并未考慮片體的不同橫向/縱向位置對各特征載荷的影響。

表7波浪載荷規(guī)范計算結(jié)果N·m

方案項目MwMltMsp0號點(diǎn)1號點(diǎn)Mtt1中拱中垂1.26×1081.58×1086.26×1072.93×1061.66×1071.04×1075.90×1077.43×1072中拱中垂1.26×1081.58×1086.31×1072.93×1061.66×1071.04×1075.90×1077.43×1073中拱中垂1.26×1081.58×1086.27×1072.93×1061.66×1071.04×1075.90×1077.43×1074中拱中垂1.26×1081.58×1081.26×1083.68×1062.41×1072.70×1071.77×1087.43×1075中拱中垂1.26×1081.58×1081.89×1084.44×1063.18×1074.95×1073.55×1087.43×107

圖5 垂向彎矩Mw和縱向轉(zhuǎn)矩Mlt沿船長上的分布

2)縱垂向彎矩Mw的數(shù)值結(jié)果和規(guī)范計算值比較接近，說明與總縱彎曲強(qiáng)度相關(guān)的Mw的載荷主要由主船體決定，片體對載荷的貢獻(xiàn)很小，沒必要對Mw的計算公式進(jìn)行修正。

3)縱向扭矩Mlt的規(guī)范計算值遠(yuǎn)大于數(shù)值結(jié)果，說明片體對Mlt貢獻(xiàn)很大，主體部分貢獻(xiàn)的縱向轉(zhuǎn)矩非常小，縱向轉(zhuǎn)矩Mlt受片體數(shù)量和布局位置影響很大，需要對Mlt的計算公式進(jìn)行片體縱向、橫向位置的參數(shù)修正。

4)規(guī)范計算時，中垂下Msp的數(shù)值大小主要由主體的排水量決定，因為三體船的主體左右兩側(cè)均布置有片體，對主體的剛度約束較大，而不對稱平臺只在單側(cè)布置有片體，對主體的剛度約束較小，計算時會產(chǎn)生較大誤差，需要對Msp的規(guī)范公式進(jìn)行片體橫向位置及航速的雙參數(shù)修正。

5)橫向轉(zhuǎn)矩Mtt受片體縱向布局影響很大，需要對片體的縱向位置進(jìn)行修正。

2.2 規(guī)范公式修正

對超出適用性范圍的Mlt、Msp、Mtt采用多項式最小二乘法進(jìn)行參數(shù)修正。修正結(jié)果如下。

1)縱向轉(zhuǎn)矩Mlt

Mlt=5.77Tffservρ·

2)對開力矩Msp。

式中：Kv=0.001 6V3-0.0385V2+0.345V+2.326；

3)橫向轉(zhuǎn)矩Mtt。

Mtt=3.75fservρ(Vsh+Vcd)LshaheaveKx

將三維勢流理論數(shù)值結(jié)果和規(guī)范修正前后的計算值匯總見表8、9、10。

表8 不同方法下Mlt的計算結(jié)果 107 N·m

對比可以看出，經(jīng)過修正后的經(jīng)驗公式能更好地滿足不對稱船型的波浪載荷預(yù)報。

3 結(jié)論

1)航速、片體的縱向位置、橫向位置對Mw的分布規(guī)律影響不大；迎浪以及隨浪時，Mw最大，橫浪時最小；船中區(qū)域Mw出現(xiàn)最大值，首尾兩端趨于0。

表9 不同方法下Msp的計算結(jié)果107 N·m

表10 不同方法下Mtt的計算結(jié)果107 N·m

2)航速對Mlt載荷隨浪向的分布有一定影響：隨著航速增加，Mlt最大值對應(yīng)的浪向逐漸由左舷橫浪狀態(tài)(270°)過渡到首斜浪狀態(tài)下；片體的位置布局對Mlt隨船長的分布規(guī)律影響很大，布置有片體區(qū)域的Mlt遠(yuǎn)大于單獨(dú)主船體區(qū)域，隨著主片體之間間距的增加，Mlt的載荷值不斷變大。

3)航速對Msp載荷隨浪向的分布有一定影響，隨著航速的增加，載荷最大值逐漸過渡到首斜浪情況下；片體的橫向布局對Msp的大小影響很大，隨著主片體之間間距的增加，Msp的載荷值不斷變大。

4)航速對Mtt隨浪向的分布規(guī)律影響不大，最大值出現(xiàn)在尾斜浪的時候。

5)基于波浪載荷分布特性的研究結(jié)果，對規(guī)范公式中超出適用性范圍的部分進(jìn)行修正后，能更好地滿足不對稱船型的波浪載荷預(yù)報。