采用Hydrostar進行沉管運輸波浪載荷預報

陳曉飛 嚴鋒 譚健偉

摘? ? 要：本文主要闡述了用Patran進行海底沉管隧道建模，并用Hydrostar進行最大波浪載荷（包括彎矩與扭矩）的計算和確定設計波。

關鍵詞：Hydrostar;波浪載荷;設計波

中圖分類號：U661.32 ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A

Calculation of Seabed Tunnel Transportation Wave Load by Hydrostar

CHEN Xiaofei， YAN Feng， TAN Jianwei

（ Guangzhou Marine Engineering Corporation， Guangzhou 510250 ）

Abstract： This paper mainly expounds the modeling of seabed tunnel by Patran， calculates the maximum wave load （including bending moment and torque） and determines the design wave by Hydrostar.

Key words： Hydrostar; Wave load; Design wave

1? ? 引言

建設大型海底隧道一般都會有沉管運輸?shù)氖┕きh(huán)節(jié)，正在建設中的深中通道擬采用兩條雙體船將沉管系固并拖曳到預定海域進行下沉安裝。為保障施工作業(yè)安全，需對安裝作業(yè)過程進行力學校核，即計算雙體船受到的載荷以校核船體強度與船體位移是否滿足要求。雙體船不僅受到自身及沉管的靜載荷，還受到波浪施加的動載荷，本文主要闡述利用Hydrostar軟件進行波浪載荷計算及確定設計波的過程。

2? ?計算流程

船體模型建好后，進行波浪輻射/繞射計算會得到不同浪向角與波浪頻率下的傳遞函數(shù)（RAO），依據(jù)RAO進行譜分析可得到特定海況下的最大波浪載荷及設計波參數(shù)。

計算流程如下：

（1）在Patran中以船殼面作為載體建立面網(wǎng)格;

（2）將面網(wǎng)格導出為網(wǎng)格坐標數(shù)據(jù)文件，經(jīng)轉(zhuǎn)化后導入到Hydrostar中;

（3）在Hydrostar中設置波浪輻射/繞射條件，進行浮體運動特性計算、船體計算剖面的設置、傳遞函數(shù)（RAO）的計算及繪圖;

（4）設置海況條件，并結合RAO獲得波浪載荷及設計波參數(shù)。

根據(jù)《鋼質(zhì)海船入級規(guī)范》（2018）第2篇第1章1.5.7，設計波計算流程如圖1所示：

3? ?計算模型

用Patran建立船體面網(wǎng)格，然后將面網(wǎng)格與節(jié)點坐標數(shù)據(jù)導入到Hydrostar中自動生成船殼網(wǎng)格。

由于沉管自身受到的波浪載荷會傳遞到雙體船，故在Hydrostar建模時以統(tǒng)一坐標系進行建模。

根據(jù)Hydrostar對網(wǎng)格模型的要求，Patran中只需要建立半船網(wǎng)格即可，即對于常規(guī)型船只需建立以Y向為法向的中性面作為對稱中心的半船。但是由于Hydrostar中無法直接計算得到橫扭、橫彎數(shù)據(jù)，只能得到縱扭、縱彎數(shù)據(jù)，本文采取的做法是：將船體以Z向軸為中心軸旋轉(zhuǎn)90°，因為新模型與原模型存在90°的相位差，依據(jù)新的模型得到的縱扭、縱彎數(shù)據(jù)即可得原模型的橫扭、橫彎數(shù)據(jù)。

Patran中的模型，如圖2，圖3所示：

Hydrostar中的模型（水線以下部分），如圖4、圖5所示：

上述圖中兩側較小的模型為雙體船的片體，中間較大的模型為沉管模型。在Hydrostar中采用的建模思路是：將沉管與2條雙體船組成的模型作為三個浮體。

4? ?傳遞函數(shù)

Hydrostar中的典型剖面?zhèn)鬟f函數(shù)示意圖，如圖6～10所示。由圖中可以得到最大載荷下的波浪圓頻率：圖中縱坐標為載荷與波高比值（即RAO）;橫坐標為對應的不同浪向角下的波浪圓頻率。

5? ?波浪載荷

（1）對于縱扭計算，建模方法為：在Patran中以法向為Y向的中性面作為對稱面建立半船模型，導出網(wǎng)格坐標數(shù)據(jù)處理后得到可以直接導入到Hydrostar的網(wǎng)格數(shù)據(jù)文件，將該文件導入Hydrostar中生成船殼模型。

計算得到的縱扭數(shù)據(jù)及設計波參數(shù)，如表1所示：

表1中：第1列為沿模型縱向的剖面位置參數(shù);第2列為模型可能遭遇到的最大縱扭扭矩數(shù)值;第4到7列數(shù)據(jù)為該縱扭數(shù)據(jù)下對應的設計波參數(shù)，該設計波參數(shù)可以輸入到Aqwa中作為初始環(huán)境條件計算得到模型受到的波浪力，并可以將該波浪力作為載荷施加到Ansys模型進行全船結構有限元直接計算;

（2）對于橫扭、橫彎計算，建模方法為：在Patran中以法向為X向且位于船中的面作為對稱面建立新的半船模型，然后將模型導出的網(wǎng)格X、Y坐標值進行調(diào)換，經(jīng)過這樣處理后的坐標數(shù)據(jù)導入到Hydrostar得到新的全船模型（見圖4），新模型相對于圖3中的模型存在90°的相位差。

計算得到的橫扭、橫彎數(shù)據(jù)及設計波參數(shù)，見表2、表3所示：

表2、表3中：第1列為沿模型橫向的剖面位置參數(shù);第2列分別為模型可能會遭遇到的最大橫扭扭矩、橫彎彎矩;第4到7列數(shù)據(jù)為對應的設計波參數(shù)，該設計波參數(shù)可以輸入到Aqwa中作為初始環(huán)境條件計算得到模型受到的波浪力，并可將該波浪力作為載荷施加到Ansys模型進行全船結構有限元直接計算。

6? ? 結論

（1）Hydrostar軟件一般用于計算沿船體縱向的彎矩、扭矩，但因本項目需要計算波浪作用下船體的橫向扭矩、橫向彎矩，本文通過在Hydrostar中建立旋轉(zhuǎn)90°的模型，得到了所需數(shù)據(jù);

（2）一般情況下，Hydrostar軟件計算結果，提供波浪載荷用于校核總縱強度。本文介紹了通過譜分析確定設計波，可供其他軟件進行后續(xù)計算，適用性良好。

參考文獻

[1] 胡仁喜等.Patran 2014與Nastran 2014有限元分析從入門到精通[M].? 機械工業(yè)出版社，2018.

[2] 鋼質(zhì)海船入級規(guī)范2018第2分冊[S].人民交通出版社，2018.