趙林崗，徐 升，謝永和

（1.浙江海洋學(xué)院水產(chǎn)學(xué)院，浙江舟山 316004；2.浙江海洋學(xué)院船舶與建筑工程學(xué)院，浙江舟山 316004）

游釣船是一種特制的輕便、快速，具有導(dǎo)航、定位、通訊和現(xiàn)代服務(wù)設(shè)施的專職出租、導(dǎo)釣、載客的釣魚船。除船釣外，還可以把釣客送上富魚區(qū)的海礁、海島荒磯上垂釣，再按航程安排，及時地接送釣客返回。游釣船設(shè)計(jì)的船速一般都在20 kn以上，這就對其要求有較高的穩(wěn)性。由此可見，對游釣船進(jìn)行運(yùn)動和波浪載荷響應(yīng)計(jì)算，有助于保障其安全作業(yè)。

SESAM系統(tǒng)就是基于三維線性勢流理論設(shè)計(jì)的用于船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)物水動力分析計(jì)算的綜合性軟件。該軟件不僅適用于船舶工程領(lǐng)域，也成功地應(yīng)用于多種海洋結(jié)構(gòu)物的設(shè)計(jì)和分析[1]。筆者采用SESAM程序系統(tǒng)的PatranPre模塊對14.56 m游釣船建立水動力模型，在HydroD模塊中進(jìn)行運(yùn)動與波浪載荷響應(yīng)計(jì)算，對其水動力特性進(jìn)行分析。

1 水動力計(jì)算的相關(guān)理論和程序

船舶在波浪上運(yùn)動的流體動力問題關(guān)鍵在于求解流場中的速度勢，即求解在確定的邊界條件下的拉普拉斯方程。

1.1 船舶運(yùn)動方程[2]

根據(jù)速度勢的分布可將船舶的流體動力分解為船舶定常移動興波所產(chǎn)生的定常阻力、波浪擾動力和船體運(yùn)動遭受的流體反作用力（簡稱輻射力）組成，則船舶在規(guī)則波中的運(yùn)動方程為：

式中，mij為船體質(zhì)量；μij附加質(zhì)量；λij為阻尼系數(shù)；Cij為恢復(fù)力系數(shù)；FkWi為佛汝德·克雷洛夫力；FdWi為波浪繞射力。

1.2 計(jì)算程序

使用SESAM程序計(jì)算船體運(yùn)動與波浪載荷響應(yīng)，其具體步驟如下：

1）通過PatranPre模塊建立游釣船的水動力模型；

2）在HydroD中進(jìn)行環(huán)境參數(shù)的設(shè)定；

3）將建好的水動力模型導(dǎo)入到HydroD模塊中進(jìn)行計(jì)算；

4）用WADAM模塊確定浪向及間隔、頻率及間隔等參數(shù)；

5）最后用POSTRESP模塊進(jìn)行后處理，得出其動力響應(yīng)。

2 水動力模型

2.1 主要參數(shù)

游釣船折角線和主尺度分別見圖1和表1。

圖1 折角線示意圖Fig.1 Schematic diagram of knuckle line

表1 主尺度Tab.1 Ship's principal dimensions

2.2 水動力模型

選用SESAM系統(tǒng)的PatranPre模塊對其建立水動力模型即 Panel Model，如圖2～4所示。坐標(biāo)系x方向指向船艏，y方向指向左舷，z方向向上，坐標(biāo)原點(diǎn)在基線面、中橫剖面、中縱剖面的交點(diǎn)。肋位間距500 mm，以一肋位一單元進(jìn)行建模，最后對模型進(jìn)行優(yōu)化得到水動力模型。

圖2 水動力模型Fig.2 Hydrodynamic model

圖3 施加HydroD后的模型Fig.3 Hydrodynamic model applied by HydroD

圖4 HydroD中的水動力模型Fig.4 Hydrodynamic mode in HydroD

3 游釣船的波浪誘導(dǎo)載荷及運(yùn)動響應(yīng)分析

3.1 海浪譜

在一般情況下，常把海浪視為無限多個頻率不等、方向不同、振幅變化而相位雜亂的微幅簡諧波疊加而成的不規(guī)則波系，這些特征可以用海浪譜表示出來。通常用到的海浪譜有3種即Gamma海浪譜、Pierson-Moskowitz海浪譜和JONSWAP海浪譜。本論文中的波浪載荷直接計(jì)算采用的波浪譜是Pierson-Moskowitz海浪譜。

浪向角取值區(qū)間[0°～180°]步長為 30°，包括了 5 種浪向的波浪（迎浪、首斜浪、橫浪、尾斜浪和隨浪）。波浪頻率為0.5～2.0 rad/s，步長為0.05 rad/s。 波浪載荷設(shè)計(jì)計(jì)算值取為10-8概率水平（代表設(shè)計(jì)壽命為20年）。

3.2 波浪誘導(dǎo)載荷的計(jì)算

根據(jù)上面選定的設(shè)計(jì)波，由伯努利方程計(jì)算可得游釣船的表面水壓力。本論文主要計(jì)算波浪誘導(dǎo)彎矩，計(jì)算結(jié)果如圖5所示。

3.3 運(yùn)動響應(yīng)分析

對游釣船通過水動力計(jì)算，可知在其運(yùn)動響應(yīng)中，由波浪引起的橫搖（roll）、首搖（yaw）和縱搖（pitch）運(yùn)動都比較小，本文中游釣船的運(yùn)動響應(yīng)主要考慮縱蕩（surge)垂蕩（heave）和橫蕩（sway）的影響。

由圖6可以看出，在游釣船縱蕩運(yùn)動時，浪向角β=0°和β=180°時，船舶縱蕩的運(yùn)動幅值最大，并且隨著波浪頻率的減小而增大；浪向角β=90°時，船舶的縱蕩運(yùn)動幅值最小。

由圖7可以看出，在游釣船垂蕩運(yùn)動時，浪向角β=90°時，船舶升沉的運(yùn)動幅值最大；浪向角為β=0°時，船舶升沉的運(yùn)動幅值最小，并且隨著波浪頻率的增大而減小。

由圖8可以看出，在游釣船橫蕩運(yùn)動時，浪向角β=0°和β=180°時，船舶橫蕩的運(yùn)動幅值最?。焕讼蚪?β=90°時，船舶橫蕩的運(yùn)動幅值最大，并且隨著波浪頻率的減小而增大。

圖5 波浪彎矩幅值隨頻率變化曲線Fig.5 Change curve of wave bending moment with frequency

圖6 縱蕩運(yùn)動幅值響應(yīng)隨頻率變化曲線Fig.6 Change curve of surge amplitude with frequency

4 結(jié)束語

圖7 垂蕩運(yùn)動幅值響應(yīng)隨頻率變化曲線Fig.7 Change curve of yaw amplitude with frequency

本文依托于三維線性勢流理論，運(yùn)用SESAM軟件中的PatranPre模塊和HydroD模塊對游釣船進(jìn)行了波浪誘導(dǎo)載荷計(jì)算和運(yùn)動響應(yīng)分析，比較準(zhǔn)確的預(yù)報(bào)了游釣船的水動力響應(yīng)特性，可以使其在運(yùn)營中避開波浪能集中的頻率范圍，使游釣船具有較小的波浪響應(yīng)，從而確保其安全運(yùn)營。

圖8 橫蕩運(yùn)動幅值響應(yīng)隨頻率變化曲線Fig.8 Change curve of sway amplitude with frequency

[1]陳海龍，白雪平，劉成名，等.利用SESAM軟件對駁船進(jìn)行水動力性能分析研究[J].傳感器與微系統(tǒng)，2009,28(12):48-50.

[2]李剛強(qiáng)，謝永和.肥大型集裝箱船波浪誘導(dǎo)載荷研究[J].浙江海洋學(xué)院學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2009,28(2):125-129.

[3]李潤培，王志農(nóng).海洋平臺強(qiáng)度分析[M].上海：上海交通大學(xué)出版社，1992.

[4]XIE Yong-he,LI Run-pei.Wave-Induced Loads on Very Large FPSOs at Restricted Water Depth[J].China Ocean Engineering,2005,19(2):215-224.

[5]劉應(yīng)中，繆國平.船舶在波浪上的運(yùn)動理論[M].北京：上海交通大學(xué)出版社，1988.

[6]STOKER J J.Water waves[M].New York:Interscience,1957.