5000噸級公務船波浪載荷預報與分析

宋揚 劉亞東

摘 要：以兩型5000噸級公務船為例，介紹了波浪載荷預報的方法和原理，并通過直接計算得到兩型船的垂向波浪彎矩、剪力長期預報值，再將波浪載荷預報值與中國船級社規范值進行對比分析，探究波浪載荷預報對中大型公務船總縱強度的影響，為后續類似船型開發設計提供參考。

關鍵詞：波浪載荷預報;公務船;總縱強度

中圖分類號：U662? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1006—7973（2021）01-0148-03

隨著海洋戰略的實施，近年來我國投資興建了一系列公務船，功能多樣、種類齊全，極大地增強了維護國家海洋權益的實力。隨著公務船大型化的發展、使命任務的增加以及船體輕量化的要求，公務船的總縱強度成為設計過程中需要重點關注的方面。

中國船級社（后簡稱CCS）《鋼制海船入級規范》在船體總縱強度部分明確規定對于具有表1所列一個或多個特征的船舶，應采用直接計算的方法確定該船的波浪載荷。

受使命任務限制，部分公務船滿足波浪載荷直接計算的特征，需進行波浪載荷預報，該文以兩型5000噸級公務船為例，其主尺度如表2所列，探究波浪載荷預報對中大型公務船總縱強度的影響。

1計算原理

建立船體的三維濕表面模型和質量模型，按照三維繞輻射勢流理論，計算作用在船體上的流體動力，獲得波浪誘導的船體剖面剪力和彎矩載荷響應的傳遞函數。再通過短期預報和長期預報，得到船體波浪剪力和彎矩的設計值，為目標船的結構設計和強度校核提供參考依據。

1.1計算參數

1.1.1規則波響應計算參數

（1）波浪頻率：0.1-2.5rad/s，以0.05 rad/s為間隔;

（2）浪向：0-180°，以15°為間隔;

（3）航速：0 kn;

（4）水深：無限水深。

1.1.2長期預報計算參數

（1）概率水平：10-8 ;

（2）波浪譜：海浪譜選用P-M譜，如公式1所示，

其中，Hs表示有義波高，Tz表示平均跨零周期。

（3）海浪散布圖：按照CCS《鋼質海船入級規范》2018要求選取北大西洋波浪散布圖，如圖1所示。

1.2 三維水動力模型

采用挪威船級社開發的通用軟件HydroD（WADAM）/POSTRESP，根據兩條船的型線分別建立A船、B船的三維濕表面模型，具體如圖2、圖3所示，形狀變化較大區域的網格進行適當加密。

全船的質量分布通過質量點來模擬，采用簡化的質量模型，即每個肋位的質量等價于左右舷兩個質量點和連接兩質量點的零質量棒，質量點的垂向位置為對應工況的全船重心高度，零質量棒的長度為對應工況的橫搖慣性半徑的兩倍。

1.3傳遞函數

傳遞函數是指船體在單位波幅的規則波作用下的響應。船體響應包括船體六個自由度的運動（縱蕩、橫蕩、升沉、橫搖、縱搖和首搖），波浪作用在船體外殼上的波動壓力，波浪誘導的剖面載荷（波浪彎矩、剪力或扭矩等）以及由于船體運動引起的慣性力和加速度等。

船體重心處運動響應的傳遞函數通過求解規則波中的船體運動方程獲得，之后可以按照達朗伯原理進一步計算船體剖面載荷響應的傳遞函數。

2波浪載荷預報

在獲得船體剖面載荷響應的傳遞函數后，即可結合短期海況的海浪譜計算其響應譜，大量的實踐表明，船體運動與波浪載荷幅值的短期響應服從Rayleigh分布，這樣便可獲得船體剖面載荷響應短期預報的各種統計值，包括均值、有義值、十一值等。而船體剖面載荷響應的長期分布由各響應的短期分布擬合求得，最終獲得指定超越概率水平的波浪載荷響應的長期極值。

選取滿載出港和壓載到港兩種典型裝載工況進行長期預報，得到A、B兩船沿船長分布的垂向波浪剪力和垂向波浪彎矩，如圖4～圖7所示。

由圖4～圖7的對比中可知兩型5000噸級公務船在垂向波浪彎矩、剪力的分布上具有高度的相似性，并可獲得兩種典型工況下船中0.4L至0.6L區域的垂向波浪彎矩峰值以及首尾區域的兩個垂向波浪剪力峰值，如表3所示。

通過線性波浪理論直接計算得到的波浪載荷是線性的，需要按照CCS規范要求進行非線性修正，從而得到中拱、中垂狀態下的波浪彎矩以及波浪剪力，再將修正后的波浪載荷預報結果與通過CCS規范公式計算得到的波浪彎矩、剪力峰值進行對比，如表4所示。

由表4可知：

（1）波浪載荷預報對兩型船波浪彎矩的影響不同，A船增加約20%，B船幾乎無影響;

（2）兩型船波浪載荷預報得到的波浪剪力值都大幅增加，A船增加約62%，B船增加約40%。

3 結論

通過對兩型5000噸級公務船進行波浪載荷預報和對比分析可以得出以下結論：

波浪載荷預報結果和船型主尺度相關，對短而寬且型深較大的A船影響更大，垂向波浪彎矩和剪力都大幅增加，對長而窄的B船僅影響垂向波浪剪力;

由于船體結構輕量化的要求，中大型公務船總縱強度裕度越來越小，對于滿足波浪載荷直接計算特征的公務船，在前期設計階段須考慮其對總縱強度的影響，避免后期方案修改，兩型船波浪載荷預報結果可供后續類似船型參考。

參考文獻：

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