8000kW救助船规则波下的运动与波浪载荷预报

李 鹏 陈晓晨

（上海船舶研究设计院，上海201203）

0 前言

船舶运营过程中，受波浪影响可能会发生砰击、上浪、螺旋桨飞车等意外情况，对航行船舶安全构成极大威胁。因而准确预报波浪中船舶的运动性能就显得至关重要。同时，营运中船舶所受载荷随波浪运动不断变化，准确预报营运船舶波浪载荷也成为船舶结构强度评估的重要问题。

根据线性理论，船舶在真实海况不规则波上的运动和波浪载荷可以看作无数不同浪向、频率、相位的规则波上的运动和波浪载荷组分叠加而成。因而规则波上的运动和波浪载荷预报就成为耐波性和波浪载荷预报中的首要问题。针对规则波上船舶的运动和波浪载荷预报，工程中主要采用三维势流理论，计算船舶波浪压力，求解船舶运动，进而预报剖面载荷。

1 计算方法

根据线性频域理论和理想流体假设，波浪中流体速度可通过求解速度势获得。通过面元法建立三维船体模型，即可求得船舶运动速度势，从而可计算船舶的附加质量和阻尼系数，建立波浪中船舶运动方程［1］：

式中：M——船体质量矩阵；

η——船体运动位移；

A——附加质量矩阵；

B——阻尼系数矩阵；

C——静水力系数矩阵；

f——波浪扰动力矩阵

根据速度势求解船体表面的流体速度分布，再通过伯努利方程即可计算船体表面的水动压力分布。

根据达朗贝尔原理，作用于部分长度浮体上的真实流体载荷与刚体惯性力载荷相平衡。于是波浪中船舶的剖面载荷即可通过式（2）［1］求解。

式中：Q——计算剖面的剖面载荷；

p——船体所受静水压力和水动压力之和；

M——广义船体质量

2 计算模型简介

8 000 kW海洋救助船是一种新型多功能远海救助船。该船航行于无限航区，主要用于海上失事船只的人命救生和以海上人命救生为目的的船舶救助及消防灭火。该船具有一级对外消防灭火作业能力、海面浮油回收作业能力以及营救作业能力，能搭载获救人员100人，并能拖曳浮筒和起浮的沉船；同时提供搜救直升飞机悬停作业。该船主要船型参数如下：

图1为8 000 kW海洋救助船布置图。

图1 8 000 kW海洋救助船总布置图

根据型线图，建立三维水动力计算模型，见图2。将水动力模型导入三维势流理论软件Hydrostar，即可求解船舶的脉动水动压力。再根据船舶的质量分布，即可获得规则波上船舶的运动和波浪载荷响应。

图2 水动力计算模型

3 计算结果

计算工况选取船舶装载甲板货，满载出港工况。波浪弯矩选取静水弯矩最大处FR84。规则波波幅为1 m，计算频率从 0.1～1.8 rad/s，每隔 0.05 rad/s 为一计算频率。浪向从0°～180°，每隔45°为一个计算浪向。图3～图8为船舶六个自由度运动的幅频响应算子（RAO），图9为FR84处波浪载荷RAO。

图3 纵荡运动RAO

图4 横荡运动RAO

图5 升沉运动RAO

图6 纵摇运动RAO

图7 横摇运动RAO

图8 首摇运动RAO

图9 垂向波浪弯矩RAO

4 运动与波浪载荷预报结果分析

分析上述计算结果，发现对于纵荡和横荡运动，运动幅值随频率增加而衰减，纵荡运动最大幅值发生在0°浪向，横荡运动最大幅值发生在90°浪向。

对于垂荡运动，随波浪频率降低，垂荡运动幅值趋近于入射波波幅。随波浪频率升高，垂荡运动幅值不断衰减，且其运动幅值在固有频率附近存在一峰值。90°浪向下的运动响应最大。

对于纵摇和横摇运动，其运动幅值存在明显峰值。纵摇运动的最大幅值发生在45°浪向下，横摇运动的最大幅值发生在90°浪向下。对于首摇运动，45°斜浪下的运动幅值最大，且在固有频率处存在峰值。对于垂向波浪弯矩，最大值发生在45°浪向。

5 结语

本文运用三维势流理论预报了8 000 kW海洋救助船在规则波上的运动与波浪载荷响应，为预报真实海况不规则波下耐波性与波浪载荷预报打下了基础。三维势流理论可以充分考虑船体型线变化，采用其评估船舶耐波性和波浪载荷，可以为船舶总体性能优化和结构设计提供参考和依据。

［1］戴仰山，沈进威，宋竞正.船舶波浪载荷［M］.北京：国防工业出版社，2007.