破损舰艇拖航中总纵强度的安全性分析

2007-01-28

船海工程 2007年3期

海军工程大学船舶与动力学院武汉 430033

舰艇无法自力航行时拖带安全十分重要。失事或战损的舰艇如果发生船体破损，分析破损舰艇拖航安全除了要周密地进行拖带相关计算外还要对破损舰艇的稳性、总纵强度进行必要的校核，根据拖带航线上可能遭遇的气象海况信息，找出最适合拖带的航向航速，最大限度保证拖航过程中舰艇的安全。

1 求解舰艇波浪中垂向耦合运动

波浪中航行的舰艇垂向运动是垂荡和纵摇耦合运动的结果，舰艇所承受的弯矩与此有关。Korvin-Kroukovsky切片理论能够较好地解决该运动的问题，并可求得令人满意的数值解。它的实质是将舰艇看成一系列横向分段，如图1所示，S0、S2、……S20为各肋骨站，相邻剖面之间的流体没有相互干涉，并假设每个切片的垂向运动由纵摇和垂荡合成运动组成。通过对各个切片上的惯性力，流体静力和阻尼力进行分析，导出舰艇运动的方程。

图1 船体模型

1.1 破损舰艇波浪中的垂荡和纵摇运动描述

图2 波浪中垂荡和纵摇运

(1)

bnwr——速度引起的流体阻尼；

cnzr——相对位移引起的流体静力。

zr=z-ξθ-ζe-kz

(2)

假设遭遇的波浪是规则波，表示为：

ζ=ζasin(kξ-ωet)

(3)

ωe——遭遇波浪的圆频率。

1.2 运动方程及求解

运动方程包括位移方程和角运动方程。

由(1)式并结合(2)、(3)式可导出位移方程。根据参考文献[2]的相关结果可得到方程：

ξasin(kξ+ωet)e-kzcn

(4)

对(4)式沿船长积分可以得一般形式：

(m+az)z″+bz′+cz+dθ″+eθ′+hθ=F(t)

(5)

式中：m——质量；

az——附体质量；

b——垂荡阻尼系数；

c——垂荡复原力系数；

d、e、h——耦合项。

扰动力F(t)可表示为：

角运动方程的一般形式可表示为：

(Iyy+Ayy)θ″+Bθ′+Cθ+Dz″+Ez′+Hz

=M(t)

(6)

式中：Iyy——质量惯性矩；

Ayy——附体质量惯性矩；

B——纵摇阻尼系数；

C——纵摇复原力矩系数；

D、E、H——耦合项。

扰动力矩为：

用上述方法确定各系数后即可对垂荡和纵摇运动写成复数形式进而求出近似解：

(7)

(8)

式中：σ,δ——相位角；

za——垂荡幅值；

θa——纵摇幅值。

2 破损舰艇在规则波中承受的总纵弯矩

2.1 舰艇规则波中的载荷

根据垂荡和纵摇运动，对于沿船长每个切片所承受的载荷进行积分，就可以求得总纵弯矩近似的结果。在规则波中，破损舰艇在垂荡与纵摇运动中承受的载荷来自于以下几个方面[2]。

2)舰船在水中运动时，相对水速度引起的载荷，记为：

(9)

3)单位船长的质量包括附体质量在内和水流惯性质量所引起的载荷，记为：

an(z″-ξθ″+2uθ-ξ″e-kz)

(10)

4)由于波浪中压力梯度的影响引起的载荷，记为

(11)

式中：ρ——海水密度；

Wn——宽度。

5)纵摇和垂荡运动的影响下，浮力分布发生变化，引起的载荷，记为：

(12)

对上式进行积分，可以分别得到剪力和弯矩的方程[3]。

(13)

(14)

2.2 不同航向航速下被拖舰的船舯弯矩

考虑某受损舰船长110 m，划分20站，破损位置在船舯附近8号肋骨站处，破损后消除了由不对称进水产生的横倾，拖带过程中仍存在纵倾，舰艇的浮态经检查平均吃水Tm=4.0 m，首吃水TH=4.5 m，尾吃水TK=3.5 m。在拖带海区遭遇波高3 m，波长30 m的海况，以单船正拖的形式对该船进行拖带，可以估算船中所承受的剪力和弯矩。

不同航向时应当注意到舰艇与波浪的遭遇圆频率将发生变化，其关系可以表述为：

(15)

式中：μ——遭遇角；