，，

(中國(guó)船舶科學(xué)研究中心，江蘇 無錫 214082)

雙體船線型復(fù)雜，連接2個(gè)片體的連接橋底部較為平坦，且航速一般較高，在波浪航行時(shí)，連接橋底部、舷臺(tái)、立柱、片體底部會(huì)受到不同程度的砰擊，會(huì)對(duì)船體局部結(jié)構(gòu)構(gòu)成較大的威脅，因此，對(duì)雙體船的入水砰擊問題開展研究對(duì)于船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有重要的意義。目前對(duì)砰擊問題的研究主要包含數(shù)值計(jì)算與試驗(yàn)的方法。數(shù)值計(jì)算方法主要包含動(dòng)量理論[1-2]、擬合法[3]、邊界元法[4]及CFD方法[5-6]，試驗(yàn)方法包括物體入水試驗(yàn)[7-8]與模型波浪載荷試驗(yàn)[9-10]?？紤]采用“2步走”的方法分析雙體船的砰擊壓力。首先計(jì)算得到砰擊瞬時(shí)船體與波浪之間的相對(duì)速度；再采用CFD的方法計(jì)算該相對(duì)速度條件下船體受到的砰擊壓力，分析雙體船砰擊載荷沿船長(zhǎng)及高度方向的分布，并分析結(jié)構(gòu)彈性效應(yīng)對(duì)砰擊載荷的影響。

1 砰擊載荷

砰擊壓力與船體入水的速度平方呈正比[11]，即

p=kv2

(1)

求船舶砰擊壓力時(shí)，首先計(jì)算船舶在波浪中的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)，求出砰擊瞬時(shí)船舶與波浪之間的相對(duì)速度，運(yùn)用CFD方法求出砰擊壓力系數(shù)，利用砰擊壓力與入水速度的關(guān)系求出砰擊壓力。

1.1 基于FLUENT的砰擊壓力系數(shù)

基于FLUENT計(jì)算雙體船入水砰擊壓力系數(shù)，選取需要計(jì)算的船體剖面(見圖1)。

船體剖面縱向長(zhǎng)度為1 m，在GAMBIT中建立船體入水模型，在入水模型中，測(cè)量點(diǎn)附近采用細(xì)網(wǎng)格，網(wǎng)格尺寸與濕甲板寬度的比值為1∶20，離測(cè)量點(diǎn)較遠(yuǎn)區(qū)域采用稀疏網(wǎng)格，網(wǎng)格尺寸與濕甲板寬度的比值為1∶7，見圖2。

流體域上表面定義為PRESSURE_OUTLET,其余各表面定義為剛性墻WALL,利用FLUENT中提供的宏命令DEFINE_CG_MOTION,定義船體入水速度。初始狀態(tài)下，距離船體底部1 m以下設(shè)置為水域，為靜水狀態(tài)，其余為空氣域，因?yàn)椴捎玫氖莿?dòng)網(wǎng)格技術(shù)，計(jì)算過程中，船體垂直入水，從船體底部開始到濕甲板依次入水發(fā)生砰擊。因?yàn)榇w砰擊壓力與物體入水速度的平方成正比，砰擊壓力系數(shù)幾乎不隨入水速度的變化而變化[11]。故計(jì)算船體以10 m/s速度勻速進(jìn)入到水中時(shí)受到的砰擊壓力，進(jìn)而按照式(1)求出各測(cè)量點(diǎn)的砰擊壓力系數(shù)。

雙體船120#肋位P1205測(cè)量點(diǎn)壓力見圖3，1.122 3 s時(shí)砰擊壓力，見圖4。各剖面測(cè)量點(diǎn)砰擊壓力系數(shù)見表1。

表1 砰擊壓力系數(shù)

表1中“-”表示該點(diǎn)沒有明顯的砰擊發(fā)生。由計(jì)算結(jié)果可以看到，連接橋底部及浮體底部的砰擊壓力系數(shù)較大，舷臺(tái)的砰擊壓力系數(shù)次之，支柱體上的砰擊壓力系數(shù)最小。主要是因?yàn)檫B接橋底部的入水角較小，砰擊壓力系數(shù)較大，另外，內(nèi)側(cè)舷臺(tái)的砰擊壓力系數(shù)較外側(cè)舷臺(tái)的砰擊壓力系數(shù)大，支柱體內(nèi)側(cè)測(cè)量點(diǎn)的砰擊壓力系數(shù)較外側(cè)測(cè)量點(diǎn)的大，這主要是因?yàn)榇皟蓚€(gè)片體的存在，引起支柱體內(nèi)外流場(chǎng)不同造成的。從支柱體下端開始向上一直到濕甲板，砰擊壓力系數(shù)逐漸增大。P1206在砰擊發(fā)生瞬時(shí)壓力突然上升，然后下降，隨著時(shí)間的持續(xù)，壓力以某一斜率逐漸上升。這是因?yàn)榕閾暨^后這些點(diǎn)受到的壓力逐漸以靜壓為主，隨著入水深度的增加，所受到的壓力也逐漸增大。雙體船各肋位線型沿著船長(zhǎng)方向，沒有太大變化，故認(rèn)為各個(gè)肋位相同位置處的砰擊壓力系數(shù)相同。

1.2 基于DYTRAN的砰擊壓力系數(shù)

分別建立濕甲板、舷臺(tái)及立柱的入水模型，計(jì)算結(jié)構(gòu)為剛體和彈性體時(shí)的砰擊壓力，并比較分析二者之間的差異。

1.2.1 結(jié)構(gòu)為剛體

結(jié)構(gòu)為剛體時(shí)，結(jié)構(gòu)單元材料選用Rigid(MATRIG)，空氣單元選用Ideal Gas(DMAT)，水單元選用LinFluid(DMAT)，見圖5，結(jié)構(gòu)入水模型上部分為空氣，下部分為水，內(nèi)部為小水線面雙體船結(jié)構(gòu)模型，將小水線面雙體船定義為流固耦合面，以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)與流體的相互耦合作用。計(jì)算船體結(jié)構(gòu)以10 m/s的速度勻速進(jìn)入到水中時(shí)，各測(cè)量點(diǎn)的砰擊壓力，進(jìn)而求出各點(diǎn)的砰擊壓力系數(shù)。

1.2.2 結(jié)構(gòu)為彈性體

船體結(jié)構(gòu)單元材料選用Linear Elastic，空氣單元選用Ideal Gas(DMAT)，水單元選用LinFluid(DMAT)，計(jì)算船體結(jié)構(gòu)以10 m/s的速度勻速進(jìn)入到水中時(shí)，各測(cè)量點(diǎn)的砰擊壓力，進(jìn)而求出各點(diǎn)的砰擊壓力系數(shù)。

P1646測(cè)量點(diǎn)的砰擊壓力時(shí)歷曲線見圖6，各測(cè)量點(diǎn)的砰擊壓力系數(shù)見表2。

測(cè)量點(diǎn)FLUENTMSC.DYTRAN剛體彈性體P16410.730.710.25P16462.801.400.77P16471.491.170.58P16487.409.003.72

由計(jì)算結(jié)果可以看出，濕甲板和浮體底部的砰擊壓力系數(shù)較大，立柱部分的砰擊壓力系數(shù)較小，這主要是因?yàn)槿胨堑牟煌斐傻?，濕甲板和浮體底部較為平坦，砰擊壓力系數(shù)較大。由計(jì)算結(jié)果可以看出，當(dāng)結(jié)構(gòu)為剛體時(shí)，由FLUENT和DYTRAN計(jì)算得到的砰擊壓力系數(shù)較為接近。當(dāng)結(jié)構(gòu)為彈性體時(shí)，各點(diǎn)的砰擊壓力系數(shù)偏小，且砰擊壓力曲線振蕩的也比較嚴(yán)重，這主要是因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)的彈性減小了水對(duì)結(jié)構(gòu)的沖擊，在砰擊過程中，船體板、桁材、縱骨、肋骨等結(jié)構(gòu)會(huì)在其平衡位置上下振動(dòng)，導(dǎo)致砰擊壓力也隨著振蕩。

2 砰擊壓力理論計(jì)算結(jié)果

2.1 計(jì)算工況

針對(duì)雙體船，選取3個(gè)計(jì)算工況(見表3)，均為規(guī)則波，采用Sesam軟件，計(jì)算各點(diǎn)發(fā)生砰擊瞬時(shí)的入水速度。

表3 計(jì)算工況

2.2 計(jì)算模型和結(jié)果

對(duì)雙體船和其流域進(jìn)行三維建模，其三維計(jì)算模型見圖7。

船體測(cè)量點(diǎn)的靜吃水為d，則該點(diǎn)發(fā)生底部砰擊的數(shù)學(xué)表達(dá)式為

(2)

表4為各工況各測(cè)量點(diǎn)砰擊瞬時(shí)的入水速度及所受到的砰擊壓力?！?”表示該點(diǎn)沒有明顯的砰擊發(fā)生，“0”表示該點(diǎn)沒有發(fā)生砰擊。波高為6 m時(shí)，各肋位的連接橋與船舶底部都沒有砰擊發(fā)生；波高為9 m時(shí)，連接橋處有砰擊發(fā)生，但船舶底部依然不會(huì)發(fā)生砰擊；波高為14 m時(shí)，連接橋處及船舶底部都有砰擊發(fā)生。隨著浪高的增大，砰擊瞬時(shí)船舶入水速度也逐漸增大。連接橋底部及浮體底部的砰擊壓力較大，主要是因?yàn)檫@部分結(jié)構(gòu)平坦，砰擊壓力系數(shù)較大；支柱體內(nèi)側(cè)測(cè)量點(diǎn)的砰擊壓力較外側(cè)測(cè)量點(diǎn)的大，這主要是因?yàn)榇皟蓚€(gè)片體的存在，引起支柱體內(nèi)外流場(chǎng)不同造成的。

120#肋位各點(diǎn)入水速度隨距船體基線高度變化見圖8。隨著距基線高度的增大，入水速度先增大后減小，船體水線面處的測(cè)量點(diǎn)的入水速度最大。由于小水線面線型的特點(diǎn)，砰擊壓力隨距船體基線高度變化比較復(fù)雜，低海況條件下，濕甲板和船體底部不會(huì)發(fā)生砰擊，砰擊主要發(fā)生在船體支柱體和舷臺(tái)處；高海況條件下，濕甲板和船體底部會(huì)發(fā)生砰擊，砰擊壓力比支柱體和舷臺(tái)處的砰擊壓力大。舷臺(tái)、濕甲板處各測(cè)量點(diǎn)的砰擊瞬時(shí)船體與波浪之間相對(duì)速度及砰擊壓力沿船長(zhǎng)縱向分布見圖9、10。

表4 各工況下各測(cè)量點(diǎn)砰擊瞬時(shí)的入水速度及砰擊壓力

由圖9、10可見，從船艉向船艏，入水速度和砰擊壓力基本上都是先減小，后逐漸增大，入水速度和砰擊壓力都是在船腫處最小，在船艏處最大。

3 結(jié)語

1)當(dāng)船體勻速進(jìn)入到水中時(shí)，船體底部和濕甲板兩點(diǎn)的砰擊壓力系數(shù)最大，舷臺(tái)砰擊壓力系數(shù)次之，支柱體的砰擊壓力系數(shù)最小。當(dāng)船體結(jié)構(gòu)為剛體時(shí)，由FLUENT和MSC.DYTRAN計(jì)算出的砰擊壓力系數(shù)較為接近。

2)當(dāng)結(jié)構(gòu)為彈性體時(shí)，各點(diǎn)的砰擊壓力系數(shù)偏小，且砰擊壓力曲線振蕩的也比較嚴(yán)重，這主要是因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)的彈性減小了水對(duì)結(jié)構(gòu)的沖擊，在砰擊過程中，船體板、桁材、縱骨、肋骨等結(jié)構(gòu)會(huì)在其平衡位置上下振動(dòng)，導(dǎo)致砰擊壓力也隨著振蕩。

3)波高為6 m時(shí)，各個(gè)肋位的連接橋與船舶底部都沒有砰擊發(fā)生；波高為9 m時(shí)，連接橋處有砰擊發(fā)生，但船舶底部依然不會(huì)發(fā)生砰擊；波高為14 m時(shí)，連接橋處及船舶底部都有砰擊發(fā)生，隨著浪高的增大，砰擊瞬時(shí)船舶入水速度也逐漸增大。

4)從船艉向船艏，入水速度和砰擊壓力基本上都是先減小，后逐漸增大，入水速度和砰擊壓力都是在船腫處最小，在船艏處最大。同一肋位測(cè)量點(diǎn)，隨著距基線高度的增大，入水速度都是先增大后減小，船體水線面處的測(cè)量點(diǎn)的入水速度最大。