黃儀平

進(jìn)才中學(xué)

1 引言

本文所研究的8000t 工程船與橋墩碰撞場(chǎng)景的研究屬于近靠浮體水動(dòng)力問(wèn)題，從上世紀(jì)以來(lái)對(duì)此問(wèn)題的理論研究已十分深入。利用AQWA軟件探討主尺度相差較大的大型船舶與橋墩在小間隙狀態(tài)下直接水動(dòng)力相互作用是此次分析的要點(diǎn)。AQWA 主要應(yīng)用于解決浮體在各類環(huán)境載荷（包括風(fēng)、浪、流載荷）作用下的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)、系泊定位、海上安裝作用、船舶航行以及波浪載荷等問(wèn)題，本文將該方法應(yīng)用于某8000t工程船與橋梁碰撞場(chǎng)景研究。分別建立工程船單獨(dú)情況下不同工況的水動(dòng)力模型以及工程船靠近橋墩的水動(dòng)力雙體耦合模型，利用頻域水動(dòng)力分析求解工程船舶及橋墩浮體結(jié)構(gòu)的靜水剛度、附加質(zhì)量、輻射阻尼、一階波浪力（包括繞射力）并通過(guò)設(shè)計(jì)波的創(chuàng)建，結(jié)合海浪譜，重點(diǎn)分析其橫蕩和縱蕩速度加成時(shí)的響應(yīng)極值。本文研究的方法可在工程上提供一定的借鑒意義，為碰撞場(chǎng)景響應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)化研究提供實(shí)際應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。

2 模型參數(shù)及設(shè)計(jì)波選擇

2.1工程船及橋墩浮體模型參數(shù)

距統(tǒng)計(jì)，我國(guó)近海大多數(shù)工程船排水量在8000噸級(jí)左右，因此本文選取一艘同量級(jí)的工程船作為研究對(duì)象，在不同工況下進(jìn)行分析計(jì)算；橋墩浮體以排列形式靠置于船體模型附近。坐標(biāo)軸選用笛卡爾坐標(biāo)系，x正向指向船艏，y軸正向指向右舷，z軸正向豎直向上，水動(dòng)力模型計(jì)算其附加質(zhì)量及阻尼矩陣。表1為船體數(shù)據(jù)，圖1為模型及碰撞場(chǎng)景。通過(guò)船體的水動(dòng)力模型，利用頻域水動(dòng)力分析獲得工程船舶及橋墩浮體結(jié)構(gòu)的靜水剛度、附加質(zhì)量、輻射阻尼、一階波浪力（包括繞射力），為計(jì)算船體運(yùn)動(dòng)的頻率響應(yīng)傳遞函數(shù)（RAO）做準(zhǔn)備。

表1 船體參數(shù)

圖1 船橋碰撞場(chǎng)景響應(yīng)模型

2.2 設(shè)計(jì)波及其碰撞場(chǎng)景參數(shù)設(shè)定

為探究由于橋墩浮體存在對(duì)船體在波浪下的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)影響，我們首先對(duì)船體的單體模型進(jìn)行水動(dòng)力分析計(jì)算。當(dāng)船體靠近橋墩浮體時(shí)，在y 方向上間距8m。此間隙對(duì)于船體模型尺寸來(lái)說(shuō)可以定義為小間隙。因此，在水動(dòng)力計(jì)算時(shí)，對(duì)此處網(wǎng)格要精細(xì)劃分以保證計(jì)算的精確度。

海浪被視為由無(wú)限個(gè)頻率、方向、振幅及相位不同的簡(jiǎn)諧波疊加而成的不規(guī)則波，這些特征在海浪譜中可以體現(xiàn)。船舶在航行時(shí)可以認(rèn)為是處于隨機(jī)海浪下的運(yùn)動(dòng)，此時(shí)波浪載荷隨機(jī)且復(fù)雜變化，難以進(jìn)行精確計(jì)算。設(shè)計(jì)波的功能和效用就是等效設(shè)計(jì)出一系列規(guī)則波施加于船體上，而這些設(shè)計(jì)波的疊加正好能滿足一定概率水平下的海浪遭遇概率。而設(shè)計(jì)波由系列規(guī)則波組成，通過(guò)對(duì)正弦規(guī)則波的波高、跨零周期、有效入射浪向角以及波浪的相位組合，設(shè)計(jì)出一組或多組波浪條件滿足一定超越概率下，船體所在海域所能遭遇的實(shí)際海浪條件。

本文一方面采用確定性設(shè)計(jì)波法，確定性設(shè)計(jì)波的特征參數(shù)由波陡確定，波幅與對(duì)應(yīng)的RAO的乘積即為所要求的載荷預(yù)報(bào)極值。確定性設(shè)計(jì)波法的設(shè)計(jì)波采用波陡計(jì)算式，該波陡是整個(gè)設(shè)計(jì)波的核心參數(shù)，一般由長(zhǎng)期的海洋環(huán)境統(tǒng)計(jì)資料數(shù)據(jù)通過(guò)擬合的概率曲線獲得的，如下式：

取SS= 0.07， 計(jì)算設(shè)計(jì)波波高HS，跨零周期TZ時(shí)，應(yīng)考慮到實(shí)際海況，計(jì)算有義波高最大取至15m，HS從1 取至15m 間隔0.5m。

另一方面，在進(jìn)行確定性設(shè)計(jì)波法之后，我們采取隨機(jī)性設(shè)計(jì)方法，它應(yīng)用了隨機(jī)海浪譜對(duì)海洋環(huán)境進(jìn)行分析，同時(shí)這種方法稱為譜分析法。因?yàn)檫@種方法充分考慮到了隨機(jī)這個(gè)概念，在工程應(yīng)用而言，這種方法比確定性方法更為合理和科學(xué)。譜分析方法是一種給定短期預(yù)報(bào)最有效的方法，結(jié)合合適的海浪譜和RAO譜生成響應(yīng)譜，其計(jì)算式如下式：

式中：

SR(?)——為響應(yīng)；

SW(?)——為波浪譜。

響應(yīng)譜滿足瑞利分布，根據(jù)響應(yīng)譜的n階距：

式中：

mnR——為運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的方差。

一般認(rèn)為短期海況符合窄帶的瑞利分布，船體的波頻運(yùn)動(dòng)也近似處理為瑞利分布，這樣便可求得的運(yùn)動(dòng)及速度的有義值。選取海浪譜，利用線性插值法獲得某海域下的波浪條件作為設(shè)計(jì)波進(jìn)行水動(dòng)力分析。

3 單船運(yùn)動(dòng)響應(yīng)模型

3.1 單船運(yùn)動(dòng)RAO

RAO 也稱作傳遞函數(shù)，它反應(yīng)了波浪激勵(lì)船體運(yùn)動(dòng)的表現(xiàn)形式，可以得到單位幅值波浪激勵(lì)下工程船的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)，由此分析船體的水動(dòng)力性能。

圖3

結(jié)合波浪散布圖取法的設(shè)計(jì)波譜，獲得相應(yīng)波高及周期數(shù)據(jù)，利用AWQA生成波浪譜，結(jié)合橫蕩及縱蕩響應(yīng)傳遞函數(shù)RAO獲得響應(yīng)譜，再利用其分布統(tǒng)計(jì)特征，求得單船工況下的響應(yīng)速度極值。

3.2 船-橋運(yùn)動(dòng)響應(yīng)模型

由于橋墩浮體的存在，入射波在遭遇到船體的同時(shí)也會(huì)遭遇到橋墩多浮體的影響，這樣便會(huì)產(chǎn)生除了船體自身的輻射勢(shì)、繞射勢(shì)之外的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)速度勢(shì)。這些速度勢(shì)包括了由橋墩浮體在遭遇到波浪后所產(chǎn)生的反射勢(shì)，橋墩浮體自身的繞射勢(shì)等。這些速度勢(shì)的疊加會(huì)對(duì)船體自由震蕩產(chǎn)生效果，即船體在單位幅值波浪激勵(lì)下工程船的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)RAO會(huì)發(fā)生變化。此時(shí)，結(jié)合對(duì)應(yīng)的海浪譜所得到的響應(yīng)譜也會(huì)有所差異，最為關(guān)心的船體橫蕩速度極值的變化成為了橋墩浮體存在下的變量條件。通過(guò)計(jì)算分析，得到橋墩浮體存在情況下從船體運(yùn)動(dòng)響應(yīng)傳遞函數(shù)RAO。由結(jié)果可以分析得到，相對(duì)于單體模型RAO 響應(yīng)，耦合模型的RAO 發(fā)生了較為明顯的變化。六個(gè)自由度上RAO 峰值都有明顯的升高，橫蕩、縱搖的RAO 在波頻30～40s 時(shí)受反射勢(shì)、繞射勢(shì)等影響出現(xiàn)了突變現(xiàn)象。由單船模型數(shù)據(jù)可知，為簡(jiǎn)化模型，船橋碰撞時(shí)重點(diǎn)考慮橫蕩速度對(duì)船橋運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的影響。由結(jié)果得知，在相同的波浪譜條件下，橫蕩速度極值隨波高的增加呈線性增長(zhǎng)，船橋運(yùn)動(dòng)的速度響應(yīng)極值相比于單船運(yùn)動(dòng)有較為明顯的升高。由結(jié)果明顯得到船體在相同的波浪譜條件下，船橋模型的橫蕩速度極值有較為明顯的升高。對(duì)于一般過(guò)程的船體而言，速度的增幅不僅僅代表了速度本身，隨著船舶越來(lái)越大型化，大質(zhì)量的前提下發(fā)生的碰撞，其動(dòng)能的增量是非常巨大的，對(duì)于碰撞所產(chǎn)生的后果也是不可估量的。

4 創(chuàng)新點(diǎn)及應(yīng)用

通過(guò)上述分析，分別對(duì)單船運(yùn)動(dòng)和船橋運(yùn)動(dòng)兩種響應(yīng)模型的分析，可得到如下結(jié)論：（1）在相同的波浪譜條件下，橫蕩速度極值隨波高的增加成線性增長(zhǎng)，船橋運(yùn)動(dòng)的速度響應(yīng)極值相比于單船運(yùn)動(dòng)有較為明顯的升高。（2）船橋運(yùn)動(dòng)響應(yīng)因流體發(fā)生耦合，其響應(yīng)速度極值發(fā)生了較為明顯的變化，六自由度上RAO峰值有明顯的升高，其中，橫蕩、縱搖的RAO 在波頻30s～40s 時(shí)受反射勢(shì)、繞射勢(shì)等影響出現(xiàn)了突變現(xiàn)象。（3）速度響應(yīng)的突變對(duì)于千噸級(jí)的大質(zhì)量船舶而言，發(fā)生碰撞的動(dòng)能增量巨大，隨著船舶速度的增加對(duì)應(yīng)的動(dòng)能將會(huì)更大，對(duì)橋墩的沖擊力將會(huì)更大，這對(duì)橋墩的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求提出了更高的要求。(4)對(duì)于同種類型船舶，本文所研究的8000t級(jí)工程船的速度響應(yīng)可供工程實(shí)際參考。國(guó)內(nèi)研究碰撞場(chǎng)景的方式大多基于特定領(lǐng)域的某一特定事故發(fā)生之后進(jìn)行分析，無(wú)法提前對(duì)船橋碰撞的不確定性風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行預(yù)報(bào)，本文具有一定借鑒作用。在國(guó)內(nèi)未有成體系的標(biāo)準(zhǔn)研究供橋墩進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核，本文試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)可供參考。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)分別對(duì)單船和船橋模型響應(yīng)場(chǎng)景分析可知，當(dāng)船體靠近橋墩浮體時(shí)，由于橋墩浮體得到存在，會(huì)對(duì)船體在波浪中的運(yùn)動(dòng)特性發(fā)生較為明顯的變化。在結(jié)合相應(yīng)海浪譜分析響應(yīng)速度極值時(shí)，速度響應(yīng)會(huì)發(fā)生較為明顯的變化，對(duì)于大質(zhì)量的船舶而言，這個(gè)速度增加對(duì)應(yīng)的動(dòng)能將會(huì)更大，對(duì)橋墩的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求提出了更高的要求。