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(武漢理工大學(xué) 交通學(xué)院,武漢 430063)

對于海洋結(jié)構(gòu)物而言風(fēng)載荷是主要環(huán)境載荷。由于海洋工程結(jié)構(gòu)物具有種類多、上層建筑結(jié)構(gòu)復(fù)雜、高度不同等特點(diǎn)，對獲得準(zhǔn)確的風(fēng)載荷帶來了很大困難。風(fēng)洞試驗(yàn)是目前獲得風(fēng)載荷最為可靠的方法，但風(fēng)洞試驗(yàn)試驗(yàn)成本高、試驗(yàn)周期長，設(shè)計(jì)時(shí)對每一個(gè)海洋工程結(jié)構(gòu)物進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)是不切合實(shí)際的。國內(nèi)外學(xué)者提出了多種風(fēng)載荷計(jì)算方法[1-5]。為提高海洋工程結(jié)構(gòu)物所受風(fēng)載荷的計(jì)算精度，保證其作業(yè)安全，本文對目前海洋工程結(jié)構(gòu)物風(fēng)載荷常用的計(jì)算方法進(jìn)行了比較，并通過與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的比較選出適合計(jì)算海洋工程結(jié)構(gòu)物所受風(fēng)載荷計(jì)算方法。

1 風(fēng)載荷計(jì)算方法比較

目前計(jì)算海洋工程結(jié)構(gòu)物風(fēng)載荷常用的方法主要包括：Blendermann方法、Isherwood方法、Haddara方法、模塊法(Building block method)、OCIMF方法。特別是OCIMF方法提供了超大型船舶風(fēng)載荷的計(jì)算方法并給出了不同球鼻艏和不同載況下的風(fēng)載荷系數(shù)[6]。

對上述各個(gè)方法選用參數(shù)的比較見表1。

表1中 Isherwood方法所需參數(shù)最多，模塊法的參數(shù)多少與模塊劃分多少有關(guān)，另外Blendermann方法中參數(shù)的取值是根據(jù)船型確定的。

表1 各個(gè)方法選用參數(shù)的比較

注：AL-船舶水線以上的側(cè)投影面積；AF-船舶水線以上的正投影面積；Ass-船舶上層建筑的側(cè)投影面積；Loa-船舶總長；B-船寬；c-船舶水線以上部分側(cè)投影面積的周長(除去桅桿和通風(fēng)筒等細(xì)長物體以及水線長度)；d-船舶水線以上部分側(cè)投影面積形心到船艏的距離；m-船舶側(cè)投影面積中桅桿或中線面支柱的數(shù)目；Cd1、Cdq、δ、a0～a6、b0～b6、ξi、ζi、Csi、Chi取值見對應(yīng)的參考文獻(xiàn)。

2 實(shí)例計(jì)算及比較分析

以一艘大型油船為例，分別采用上述風(fēng)載荷計(jì)算法對風(fēng)載荷進(jìn)行計(jì)算。油船總長351.4 m，船寬55.4 m，設(shè)計(jì)吃水23.5 m，橫向、縱向受風(fēng)面積分別為1 131.79和3 401.47 m2。

為方便風(fēng)載荷的計(jì)算，建立坐標(biāo)系，見圖1。

圖1 風(fēng)載荷計(jì)算坐標(biāo)系示意

采用上述幾種方法計(jì)算該大型油船風(fēng)載荷系數(shù)，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的比較見圖2。

由圖2a)可見，隨著風(fēng)向角的增大，x方向上的風(fēng)載荷系數(shù)變化趨勢為先由大逐漸減小，在90°附件時(shí)為零，后由小逐漸增大。當(dāng)風(fēng)向角較小時(shí)，幾種方法的計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相比，在30°～70°之間Isherwood方法和模塊法的計(jì)算結(jié)果相對偏大；OCIMF方法的計(jì)算結(jié)果相對偏小；Haddara方法的計(jì)算結(jié)果當(dāng)風(fēng)向角在90°以內(nèi)時(shí)相對偏小，在90°以外時(shí)相對偏大；在150°～180°之間，Isherwood方法、OCIMF方法和模塊法計(jì)算結(jié)果偏大;Haddara方法與Blendermann方法與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相吻合。根據(jù)圖2容易看出，在風(fēng)向角的整個(gè)變化范圍內(nèi)，Blendermann方法的計(jì)算結(jié)果均與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好。

圖2 幾種方法計(jì)算大型油船所受風(fēng)載荷 系數(shù)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的比較

圖2b)表明,隨著風(fēng)向角的增大，y方向上的風(fēng)載荷系數(shù)變化趨勢為先由小逐漸增大，在90°附近時(shí)達(dá)到最大，后由大逐漸減小。模塊法計(jì)算結(jié)果偏大，Haddara方法計(jì)算結(jié)果偏小并在100°附近取得最大值，在0～10°之間出現(xiàn)負(fù)值，與其它方法以及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相差很大；Isherwood方法、OCIMF方法和Blendermann方法在0～90°之間計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)比較吻合，Isherwood方法在90°～180°之間計(jì)算結(jié)果與Haddara幾乎一致，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相比偏??；而OCIMF方法在90°～180°之間計(jì)算結(jié)果比實(shí)驗(yàn)結(jié)果大很多，特別是在130°以后相差更大；Blendermann方法計(jì)算結(jié)果在90°～180°之間與實(shí)驗(yàn)結(jié)果最為吻合。

3 結(jié)論

1) Blendermann方法計(jì)算風(fēng)載荷系數(shù)比較準(zhǔn)確，其計(jì)算風(fēng)載荷系數(shù)的參數(shù)與船型有關(guān)，這些參數(shù)是來自大量實(shí)驗(yàn)，根據(jù)船舶種類的不同選擇不同的計(jì)算風(fēng)載荷系數(shù)參數(shù)是切合實(shí)際情況的。

2) 其它方法計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相差相對比較大，原因在于方法本身，例如，Isherwood公式回歸時(shí)所選樣本船只有11艘，適用范圍有限，另外參數(shù)過多使得計(jì)算結(jié)果誤差較大。

[1] GOULD R. The estimation of wind loads on ship superstructures[J].The Royal Institution of Naval Architects, 1982(8):34-40.

[2] WERNER B. Parameter identification of wind loads on ships[J].Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 1994(51):339-351.

[3] WERNER Bl.Estimation of wind loads on ships in wind with a strong gradient[J]. Offshore Technology, 1995, 1-A: 271-277.

[4] 湯忠谷，施立人.水面船舶的空氣動(dòng)力[J].武漢水運(yùn)工程學(xué)院學(xué)報(bào)，1982，18(4):79-89.

[5] 洪碧光.船舶風(fēng)壓系數(shù)計(jì)算方法[J].大連海運(yùn)學(xué)院學(xué)報(bào)，1991，17(2):113-121.

[6] OCIMF.Prediction of wind and current loads on VLCCs[C]∥Bermuda: Oil Companies International Marine Forum, 1994:30-52.

[7] WERNER B.Wind loads on moored and manoeuvring Vessels[J].Offshore Technology, 1993(1):183-189.

[8] ISHERWOOD R M. Wind resistance of merchant ship[J].Trans. of RINA, 1972(112):327-338.

[9] HADDARA M R. Wind loads on marine structures[J].Marine Structures, 1999(12):199-209.

[10] 陳 恒.深海半潛式平臺動(dòng)力定位推力系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究[D].上海: 上海交通大學(xué)，2008.