林?；?孫承猛 周立師 張曉宇（中國(guó)石油渤海裝備研究院 海工裝備分院 盤(pán)錦124010）

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多功能支持船波浪載荷研究

林?；?孫承猛 周立師 張曉宇
（中國(guó)石油渤海裝備研究院 海工裝備分院 盤(pán)錦124010）

［摘 要］波浪載荷研究是船舶性能預(yù)報(bào)和結(jié)構(gòu)安全評(píng)估的關(guān)鍵內(nèi)容。文中利用勢(shì)流理論直接數(shù)值求解多功能支持船遭受的波浪載荷（包括一階波頻力和二階漂移力），利用統(tǒng)計(jì)方法得到波浪載荷的長(zhǎng)期預(yù)報(bào)和短期預(yù)報(bào)極值，包括波浪總縱彎矩和垂向波浪剪力以用于后續(xù)的船舶整體結(jié)構(gòu)安全評(píng)估，以及縱向漂移力、橫向漂移力和首搖漂移力矩用于船舶的動(dòng)力定位能力分析中。研究結(jié)果表明：求解波浪載荷的勢(shì)流理論方法精確，能為后續(xù)的船舶性能預(yù)報(bào)和結(jié)構(gòu)安全評(píng)估提供可靠的載荷輸入。

［關(guān)鍵詞］多功能支持船；波浪載荷

孫承猛（1979-），男，博士，高級(jí)工程師，研究方向：船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)物總體設(shè)計(jì)與計(jì)算分析。

周立師（1986-），女，碩士，工程師，研究方向：船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)物計(jì)算分析。

張曉宇（1975-），男，高級(jí)工程師，研究方向：船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)物總體設(shè)計(jì)。

引 言

多功能生活支持船是為其他海上作業(yè)提供多種支持救助的船舶，可能遭遇的海況變化莫測(cè)，因此多功能船本身的安全性是保證其提供支持作業(yè)的最重要因素。外載荷、耐波性和強(qiáng)度是多功能支持船安全性的三個(gè)相互關(guān)聯(lián)的因素，其中合理確定環(huán)境載荷是正確評(píng)價(jià)船舶總體性能和結(jié)構(gòu)安全性的基礎(chǔ)和關(guān)鍵。

環(huán)境載荷包括風(fēng)、海流和波浪引起的載荷，其中風(fēng)和海流引起的載荷可利用船級(jí)社提供的半理論半經(jīng)驗(yàn)的方法進(jìn)行計(jì)算，而波浪載荷是所有環(huán)境載荷中最為復(fù)雜的載荷，需要利用直接計(jì)算方法，因此本文對(duì)我院開(kāi)發(fā)的多功能生活支持船所遭受的波浪載荷進(jìn)行了研究。

1 波浪載荷研究方法

鑒于規(guī)范計(jì)算公式并不覆蓋目標(biāo)船的主尺度，本文利用勢(shì)流理論［1-3］求解作用于多功能支持船上的波浪載荷。顯著影響船舶整體性能的波浪載荷包括一階波頻力和二階漂移力，一階波頻力是確定船舶運(yùn)動(dòng)響應(yīng)和整體結(jié)構(gòu)安全性的最主要載荷，二階漂移力也是評(píng)估船舶定位性能的主要載荷。下面對(duì)這兩種波浪載荷的求解方法逐一介紹。

1.1 一階波頻力的計(jì)算

一階波頻力，即頻率等于入射波頻率的一階波浪力。波頻力根據(jù)一階速度勢(shì)求解，是波浪力的主要成分，是引起船舶振蕩運(yùn)動(dòng)和應(yīng)力應(yīng)變［1，4］的重要載荷。本文選擇求解波頻力的方法為線(xiàn)性勢(shì)流理論，即假設(shè)流體為理想流體，利用頻域格林函數(shù)法確定船舶周?chē)鲌?chǎng)的擾動(dòng)。作用于船舶表面上的波浪力，包括波浪入射力、繞射力及與運(yùn)動(dòng)響應(yīng)有關(guān)的靜水恢復(fù)力和輻射力，將相應(yīng)水動(dòng)壓力沿船舶濕表面積分即可得到波頻力。具體方法如下：

假設(shè)結(jié)構(gòu)物附近的流體是無(wú)粘性的，即流場(chǎng)是無(wú)旋有勢(shì)的，速度勢(shì)是空間位置和時(shí)間的函數(shù)，滿(mǎn)足連續(xù)性方程，一階速度勢(shì)即線(xiàn)性速度勢(shì)的定解條件是：

整個(gè)流場(chǎng)內(nèi)滿(mǎn)足Laplace方程

在上述方程和邊界條件下即可對(duì)波浪速度勢(shì)進(jìn)行求解。由上述的定解問(wèn)題可知，Laplace方程和邊界條件都是線(xiàn)性的，可應(yīng)用疊加原理分解速度勢(shì)。令速度勢(shì)為：

1.2 二階漂移力的計(jì)算

處于一個(gè)規(guī)則波列中的船舶將經(jīng)歷一個(gè)隨時(shí)間變化的平均波浪漂移力［5-6］。如果波浪包含多個(gè)規(guī)則波列，即一個(gè)波譜，那么作用在船舶上的波浪漂移力可通過(guò)一個(gè)平均成分和一個(gè)慢變成分的二階漂移力來(lái)表征。

二階漂移力使船舶偏離其作業(yè)位置，需要船舶本身推進(jìn)器發(fā)出推力來(lái)抵抗該環(huán)境載荷。盡管在數(shù)值上二階漂移力可能比一階波頻力要小得多，但波浪本身的非線(xiàn)性相互作用會(huì)產(chǎn)生對(duì)船舶的低頻作用，即對(duì)船舶產(chǎn)生較大的水平作用力，而船舶在水平方向的恢復(fù)剛度很小，對(duì)應(yīng)的自然振蕩周期較大，從而會(huì)與波浪的低頻作用力產(chǎn)生共振，因此有必要對(duì)船舶所遭受的波浪漂移力進(jìn)行研究。

二階波浪漂移力可記為：

波浪漂移力與流體的一階勢(shì)解有關(guān)，與遠(yuǎn)離物體處的反射波波幅的平方成比例。一旦波高增大，平均漂移力將顯著增大。

1.3 波浪載荷預(yù)報(bào)

1.3.1 短期預(yù)報(bào)

則可根據(jù)下式求解得到波浪載荷的最大值［7］：

式中：n為該波浪載荷的短期循環(huán)次數(shù)。通常取3 h（即10 800 s）進(jìn)行計(jì)算。

1.3.2 長(zhǎng)期預(yù)報(bào)

長(zhǎng)期海況用波浪散布圖表示，P-M譜模擬波浪散布圖中的每一個(gè)海況，船舶在長(zhǎng)期海況下的波浪誘導(dǎo)載荷可視為多個(gè)短期海況下載荷的疊加。短期海況下的波浪載荷結(jié)果通常符合Rayleigh分布，其表達(dá)形式取決于唯一的參數(shù)R，根據(jù)R的長(zhǎng)期分布概率密度函數(shù)就可預(yù)報(bào)波浪載荷的長(zhǎng)期值。在波浪載荷預(yù)報(bào)中采用二參數(shù)Weibull分布擬合長(zhǎng)期響應(yīng)的分布FL：

式中：α為尺度參數(shù)，β為形狀參數(shù)，x為變量。取一定超越概率水平下的統(tǒng)計(jì)值作為長(zhǎng)期預(yù)報(bào)值。

2 研究?jī)?nèi)容

本文的研究對(duì)象為公司自主設(shè)計(jì)研發(fā)的某多功能生活支持船，分析中所采用的坐標(biāo)系為右手坐標(biāo)系，坐標(biāo)系原點(diǎn)位于主船體中縱面的底部下緣，x軸沿船長(zhǎng)方向，指向船首為正，y軸沿船寬方向，指向左舷為正，z軸沿型深方向，指向上為正。0°浪向指與X軸平行的由船尾指向船首方向，在坐標(biāo)系中按逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)增加至180°浪向?yàn)橛纱字赶虼病＞唧w的分析參數(shù)如表1所示。

表1　多功能支持船的分析參數(shù)

在分析中利用SESAM軟件創(chuàng)建的面元模型如圖1所示。

圖1　面元模型

通過(guò)調(diào)節(jié)板厚和材質(zhì)的密度使模型的質(zhì)量分布與實(shí)船的質(zhì)量分布、質(zhì)量大小均相同，這樣所創(chuàng)建的質(zhì)量模型如圖2所示。

圖2　質(zhì)量模型

為求取垂向波浪剪力和總縱波浪彎矩沿船長(zhǎng)的分布，在計(jì)算開(kāi)始前需設(shè)置所計(jì)算的剖面，具體如圖3所示，其中沿船長(zhǎng)均分為11個(gè)剖面，從船尾至船首各剖面的編號(hào)依次為1、2、……11。

圖3　計(jì)算所取剖面

多功能支持船的分析工況包括航行工況和在位工況，航行工況取北大西洋環(huán)境條件，按10-8概率水平進(jìn)行波浪載荷的長(zhǎng)期預(yù)報(bào)。在位工況包括作業(yè)工況和自存工況，作業(yè)工況取船舶作業(yè)的限制環(huán)境條件，即在有義波高Hs為2.5 m、過(guò)零周期Tz（s）為6～12 s的環(huán)境條件下進(jìn)行波浪載荷的短期預(yù)報(bào)；自存工況應(yīng)取作業(yè)海域的最大環(huán)境條件，但多功能支持船具有航行功能，能夠規(guī)避風(fēng)暴環(huán)境條件，因此本文對(duì)自存工況下的波浪載荷不作預(yù)報(bào)。

3 研究結(jié)果

具體計(jì)算分析中，由于該船左右對(duì)稱(chēng)，因此研究中所取的浪向角范圍為從0°～ 180°，其中每間隔15°作一次分析，具體研究分析結(jié)果如下。

3.1 一階波頻力研究結(jié)果

根據(jù)第1節(jié)中所闡述的分析方法以及第2節(jié)中給出的分析內(nèi)容，統(tǒng)計(jì)分析得到該多功能支持船所遭受的總縱波浪彎矩和垂向波浪剪力。圖4和圖5為作業(yè)工況下最大波浪載荷沿船長(zhǎng)的分布圖。

圖4　作業(yè)工況下最大波浪彎矩沿船長(zhǎng)的分布圖

圖5　作業(yè)工況下最大波浪剪力沿船長(zhǎng)的分布圖

綜合比較圖4、圖5和表2的分析結(jié)果可知，在作業(yè)工況下：

（1）波浪縱向入射時(shí)（即浪向?yàn)?°或180°時(shí)），船舶所遭受的總的波浪彎矩和剪力最大。

（2）在船中部區(qū)域約占船長(zhǎng)40%的長(zhǎng)度范圍內(nèi)，船舶所承受的波浪彎矩較大，最大波浪彎矩值出現(xiàn)在船中的6號(hào)剖面處，最大值為1.45E+08 N·m。

（3）船中區(qū)域承受的波浪剪力較小，各浪向下的波浪剪力最大值出現(xiàn)在距船首和船尾1/4船長(zhǎng)的剖面處，最大波浪剪力值為3.78E+06 N。

圖6和圖7給出了航行工況下最大波浪載荷沿船長(zhǎng)的分布圖。

表2　作業(yè)工況下波浪載荷極值預(yù)報(bào)匯總

圖6　航行工況下最大波浪彎矩沿船長(zhǎng)的分布圖

表3給出航行工況下波浪載荷極值的匯總，包括不同浪向下垂向波浪彎矩和垂向波浪剪力的極值以及所出現(xiàn)的剖面位置。

圖7　航行工況下最大波浪剪力沿船長(zhǎng)的分布圖

表3　航行工況下波浪載荷極值預(yù)報(bào)匯總

綜合比較圖6、圖7和表3的分析結(jié)果可知，在航行工況下：

總而言之，互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)近十年的迅速發(fā)展，促使傳統(tǒng)各個(gè)行業(yè)進(jìn)行相應(yīng)的創(chuàng)新與改革．在現(xiàn)今的金融行業(yè)中傳統(tǒng)的商業(yè)行業(yè)業(yè)務(wù)正在一步步兼容著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)．雖然互聯(lián)網(wǎng)金融仍舊存在技術(shù)和監(jiān)管上的不足，但是隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和銀行運(yùn)行管理的不斷進(jìn)步，這些問(wèn)題終會(huì)得到合理的解決．互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與傳統(tǒng)商業(yè)銀行業(yè)務(wù)之間的交融，必將提高我國(guó)金融業(yè)發(fā)展的效率，降低金融交易的成本，從而更有利于金融行業(yè)的整體發(fā)展．

（1）波浪縱向入射時(shí)（即浪向?yàn)?°或180°時(shí)），船舶所遭受的總的波浪彎矩和剪力最大。

（2）在船中部區(qū)域約占船長(zhǎng)40%的長(zhǎng)度范圍內(nèi)，船舶所承受的波浪彎矩較大，最大波浪彎矩值出現(xiàn)在船中的6號(hào)剖面處，最大值為9.49E+08 N·m。

（3）船中區(qū)域承受的波浪剪力較小，各浪向下的波浪剪力最大值出現(xiàn)在距船首和船尾1/4船長(zhǎng)的剖面處，最大波浪剪力值為2.46E+07 N。

根據(jù)最大波浪彎矩和最大波浪剪力預(yù)報(bào)的結(jié)果，并結(jié)合相應(yīng)載荷的RAO，可以挑選得到各工況下船舶總強(qiáng)度分析所需的設(shè)計(jì)波，從而開(kāi)展后續(xù)的整體結(jié)構(gòu)安全評(píng)估工作。

3.2 二階波頻力研究結(jié)果

多功能船舶進(jìn)行支持作業(yè)時(shí)要求船舶具有很好的定位性能，二階波頻力的分析結(jié)果可為船舶定位研究提供載荷輸入。本文僅對(duì)作業(yè)工況下的二階波頻力進(jìn)行了研究，預(yù)報(bào)分析得到了二階波浪漂移力的結(jié)果，包括0°～180°不同浪向下的縱向漂移力、橫向漂移力和首搖力矩，如圖8所示。

圖8　二階波頻力預(yù)報(bào)值

由圖8的預(yù)報(bào)結(jié)果可以看出：

（1）與圖4和圖5比較，在作業(yè)工況相同的波浪環(huán)境條件下，二階波頻力的數(shù)值要小于一階波頻力的數(shù)值。

（2）雖然在數(shù)值上二階波頻力小于一階波頻力，但船舶在水平方向的恢復(fù)剛度很小，仍將使船舶在水平面內(nèi)產(chǎn)生大幅漂移運(yùn)動(dòng)，因此二階波頻力是船舶定位分析中必須考慮的關(guān)鍵載荷之一。

（3）90°浪向時(shí)，橫向漂移力達(dá)到最大。

（4）0°浪向和180°浪向時(shí)，縱向漂移力達(dá)到最大。

（5）60°浪向和120°浪向時(shí)，首搖力矩達(dá)到最大。

（6）橫向漂移力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于縱向漂移力，且在橫浪條件下達(dá)到最大，這是由于此時(shí)船舶受載面積較大的緣故，在船舶定位能力分析中應(yīng)重點(diǎn)研究橫向受浪的情況。

4 結(jié) 論

本文利用線(xiàn)性勢(shì)流理論方法對(duì)某多功能支持船所遭受的一階波頻力和二階波頻力進(jìn)行研究分析，綜合以上分析結(jié)果得出以下結(jié)論：

（1）利用線(xiàn)性勢(shì)流理論直接數(shù)值計(jì)算預(yù)報(bào)船舶所遭受的波浪載荷是比較可靠的方法。

（2）一階波頻力是船舶整體結(jié)構(gòu)安全評(píng)估中最重要的載荷，二階波頻力在數(shù)值上小于一階波頻力，是影響船舶定位能力的關(guān)鍵載荷。對(duì)船舶進(jìn)行波浪載荷分析，應(yīng)包括一階波頻力和二階波頻力。

（3）在波浪縱向入射時(shí)，一階波頻力中的船舶總縱波浪彎矩和垂向波浪剪力達(dá)到最大，在船中部40%船長(zhǎng)的區(qū)域內(nèi)總縱波浪彎矩較大，分別距船首、船尾各1/4船長(zhǎng)位置處的垂向波浪剪力較大。

（4）在波浪縱向入射時(shí)，二階波頻力中的縱向漂移力達(dá)到最大；在波浪橫向入射時(shí)，二階波頻力中的橫向漂移力達(dá)到最大。

（5）斜浪和橫浪時(shí)船舶所遭受的總的二階波頻力較大，定位能力分析時(shí)應(yīng)重點(diǎn)考慮此浪向范圍內(nèi)的二階波頻力。

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On wave loads of multi-functional ships

LIN Hai-hua SUN Cheng-meng ZHOU Li-shi ZHANG Xiao-yu
(Offshore Engineering Equipment Research Institute , CNPC Bohai Equipment Manufacturing Co., Ltd., Panjin 124010, China)

Abstract:The study of wave loads is a key task in the ship performance prediction and the structural safety evaluation. The potential theory is used to directly calculate the wave loads of a multi-functional ship, including the first-order wave forces and the second-order drift forces. Then the extreme values of the wave loads are predicted using the statistical method based on the long term and short term. The first order wave forces include the wave bending moment and the wave shear force which can be applied to the further structural safety evaluation, and the second order drift forces include the longitudinal drift force, transversal drift force and the yaw drift force moment which can be applied to the further dynamic position analysis. The results show that the wave loads solved by the potential theory can be taken as reliable inputs for the ship performance prediction and the structural safety evaluation.

Keywords:multi-functional ship; wave loads

［作者簡(jiǎn)介］林?；ǎ?979-），女，博士，高級(jí)工程師，研究方向：船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)物計(jì)算分析。

［收稿日期］2015-10-09；［修回日期］2015-11-17

［中圖分類(lèi)號(hào)］U661.4

［文獻(xiàn)標(biāo)志碼］A

［文章編號(hào)］1001-9855（2016）01-0053-06