江海联运船舶艏部砰击性能研究

邵珠峰，张吉萍，谢永和

（浙江海洋大学船舶与机电工程学院，浙江舟山 316022）

江海联运船舶艏部砰击性能研究

邵珠峰，张吉萍，谢永和

（浙江海洋大学船舶与机电工程学院，浙江舟山 316022）

考虑江海联运船舶大外飘、小型深的结构特征，研究了江海联运船舶艏部结构在砰击载荷作用下的力学性能。阐述了船舶砰击理论，将船舶艏部结构遭遇的砰击载荷分解成入水冲击压力、撞击冲击压力以及甲板上浪载荷。针对江海联运的45 000 DWT散货船进行砰击的数值模拟，计算载荷包括不同航速下的舷外静水压力、艏外飘砰击压力以及甲板上浪。结果显示应力和变形受砰击载荷影响很大，很有必要对艏外飘结构进行相应的结构加强以及疲劳强度评估。

江海联运船舶；艏部结构；砰击载荷；甲板上浪

船舶在恶劣海况中航行时，由于船波之间的剧烈相对运动，船体将频繁遭遇波浪砰击[1-2]，局部结构可能会产生严重变形，导致结构产生极端应力和疲劳损伤，严重时可能影响船舶在海上航行的安全性。船艏部位[3-4]是砰击现象的多发区域，砰击载荷作用时间短、幅值大，因而对结构的破坏作用非常大。船舶艏部砰击问题包括艏底砰击，艏外飘砰击[5]以及甲板上浪[6]。船舶因为纵摇和升沉运动使底部露出波面，在底部重新进入波浪中时将发生底部砰击。船舶的艏外飘与来波相撞击时将发生艏外飘冲击。与艏底砰击相似，艏外飘砰击会产生巨大的水动力并引发高频振动，而且艏外飘冲击作用时间更长，巨大的水动力砰击载荷覆盖整个艏部结构。甲板上浪则是当船舶穿行至入射波系的水面以下、水波破碎并冲到船舶甲板上形成甲板上浪，所产生的压力可以破坏甲板及其上部结构。

与常规的散货船相比，因为具有大外飘、小型深的结构特征，更有必要对江海联运船舶进行砰击载荷作用下的力学性能研究。论文针对45 000 DWT江海联运散货船进行了艏部结构的抗砰击性能研究，并基于数值模拟结果提出了结构设计建议。

1 江海通达船

45 000 DWT散货船是一艘典型的江海联运船舶，主要运载煤、谷物以及铁矿石。船长192.0 m，船宽32.26 m，型深15.4 m，设计吃水10.5 m，方形系数0.852 1，长宽比为5.95，宽深比为2.09。船舶结构依据《钢质海船入级建造规范》设计，共有五个货舱，四个横舱壁结构。为了进行抗砰击力学性能研究，建立艏部结构的有限元模型，并在艏部中纵剖面进行刚性约束，结构模型如图1所示。

图1 船艏结构有限元模型Fig.1 Finite Element Model of Bow Structure

2 砰击载荷

1929年，VON-KARMAN[7]最早将二维楔形刚体水动力冲击问题进行简化处理，认为冲击过程是在极短时间内发生，忽略流场速度平方的二阶小量，将自表面的边界条件作线性化处理。WAGNER[8]发展了VON-KARMAN的理论，考虑冲击体上自由表面处存在排挤水对浸湿半宽的影响，改善了压力量值及其分布的求解结果。之后的理论分析和模型试验研究都证实：砰击压力峰值与船波相对速度的平方呈正比，其比例系数主要取决于结构物触水冲击表面处的斜倾角，同时与结构刚性、水的可压缩性以及气垫效应等因素影响有关。

船体艏部结构的砰击载荷一般包括底部砰击、外飘砰击以及甲板上浪三部分。江海通达船舶的吃水较小，艏外飘结构的砰击问题较底部砰击更具研究意义，因此在江海通达船舶的艏部砰击性能研究中只考虑外飘砰击以及甲板上浪载荷的作用。外飘砰击载荷则分解成入水冲击压力与撞击冲击压力，其中入水冲击压力与冲击表面与波浪在水面法向的相对速度分量相关，撞击冲击压力与冲击表面与水质点在水面切向的相对速度分量相关。

2.1 入水冲击压力

STAVOVY和CHUANG[9]根据WAGNER楔形体冲击理论、椎体冲击理论以及NSRDC试验结果，给出了计算快速船底部砰击压力的方法。考虑到水平速度对入水冲击速度的影响，将该方法应用于外张入水冲击压力的确定，其中入水冲击速度根据船体速度和波面速度在水面的法相分量求得。作用于冲击表面的最大入水冲击压力表示为

式中，V为入水冲击速度，系数Kw由下面公式计算得到：

式中：ξ为波浪与船体表面的接触角。2.2 撞击冲击压力

当船在恶劣海况中航行时，艏部波面与船的相对运动引起的水面隆起迭加而使波面变得陡峭，导致波质点以很高的速度撞击艏外张表面。水流冲击直墙的研究表明，该压力对应由波质点撞击船体引起的冲击压力，正比于水流速度的平方，而水流速度对应于冲击表面与水质点在波面切向的速度分量。考虑到非线性墙的修正，水质点撞击冲击压力可表示为

式中：V为水面切向的相对速度，ξ为船舶接触角。

水面切向的相对速度由下式计算得到：

式中：Vh、Vv分别为冲击点处船体的水平速度和垂直速度；

Vhw、Vvw分别为水面处波质点的水平速度和垂直速度；

α为冲击点处的水线角，假设水线角不随船舶纵摇而变化；

δ′为垂直法平面内的有效波倾角，δ′=δ cos(90-α)，δ为原始波倾角。

2.3 甲板上浪

船舶甲板上浪的海水流动是高度非线性物理现象，与之相关的水位、流量等物理现象很难精确估算。目前国际上比较认可的甲板上浪模型试验是由BUCHNER在挪威的MARINTEK水池所做的针对FPSO的上浪试验[4]，分别研究了船体与波浪之间的非线性相对运动，海水涌上甲板过程的物理机制等。试验表明，上浪水冲击上甲板时的流动与溃坝模型非常相似，船艏形状以及外飘角的大小对甲板上浪水的流动有着较大的影响，随着艏外飘角的增大，水流速度也随之增大，但水层高度则随着外飘角的增大而减小。在一定范围内，甲板上浪水层的高度H与船体艏柱的干舷超出量h0之间存在着线性的关系，水流冲上甲板时的速度则与干舷超出量的平方根成正比，即存在如下关系：

另外，上浪过程中，甲板上层建筑所受的冲击载荷与上浪的水层高度以及水流上浪的速度存在着如下的关系式：

因此，上浪载荷与干舷超出量h0的平方成正比。

3 江海联运船舶砰击研究

3.1 砰击载荷

3.1.1 艏外飘砰击荷载

计算参数取值：海水的密度取1 025 kg/m3，压力比例系数Kr取4，船波接触角ξ取34°。

3.1.2 甲板上浪载荷

计算参数取值：干舷超出量h0取15 m，系数aH取0.8。

3.1.3 计算工况

计算中，考虑舷外静水压力、艏外飘砰击压力和甲板上浪的影响，考虑航速对来流冲击速度以及甲板上浪水柱的影响，同时也考虑不同波浪参数的影响，但不考虑船首结构内的杂物压力。具体计算工况见表1。

3.2 砰击数值模拟

艏部砰击计算结果见表2，第8计算工况的应力位移分布如图2～5所示。

表1 计算工况Tab.1 Load cases

表2 各工况计算结果汇总Tab.2 Simulation results of all load cases

图2 船艏结构应力分布Fig.2 Stress of Bow Structure

图3 船艏内部结构应力分布Fig.3 Stress of Inner Structure

图4 船艏结构变形分布Fig.4 Displacement of Bow Structure

图5 内部结构变形分布Fig.5 Displacement of Inner Structure

通过对江海联运散货船艏部砰击计算研究，可以得出如下结论：

（1）艏外飘砰击载荷和甲板上浪载荷对艏部受砰击区域的结构变形以及板架结构应力影响显著，在砰击载荷作用下，结构应力超出了材料塑性破坏的屈服极限；

（2）波浪参数对船体艏部结构强度具有重要影响，随着航速及波高的增加，结构的应力和变形显著增加，尤其艏外飘区域的外板结构以及板架结构。

4 结论

针对江海联运散货船的艏部结构设计提出如下建议：依据规范结构设计之外，需要依据砰击数值模拟进行艏部结构加强，同时也有必要针对砰击作用的高应力结构区域进行疲劳强度评估：考虑到江海通达船舶的外飘较大、型深较小的结构特性，在进行船舶性能设计应该关注航速及作业海况对结构的破坏影响；砰击载荷作用体现了很强的局部现象，因此在规范考虑因砰击载荷引起附加弯矩之外更需要将船舶艏部结构的砰击现象作为局部强度问题进行研究。

[1]PEDERSEN P T.Review and application of ship collision and grounding analysis procedures[J].Marine Structures,2010,23(3): 241-262.

[2]CHO S R,LEE H S.Experimental and analytical investigations on the response of stiffened plates subjected to lateral collisions [J].Marine Structures,2009,22(1):84-95.

[3]许国冬.流体与结构砰击的相似解与时域分析[D].哈尔滨:哈尔滨工程大学,2010.

[4]王 辉.船体结构局部强度设计中的砰击载荷确定方法[J].中国造船,2010,51(2):68-77.

[5]耿彦超,虞 昊,胡嘉骏,等.江海直达船波激与砰击载荷的模型试验研究[J].船舶力学,2014,18(6):635-643.

[6]王瑞锋.船舶甲板上浪机理及其试验研究[D].哈尔滨:哈尔滨工程大学,2011.

[7]VON KARMAN T.The Impact on Seaplane Float during Landing[R].US:National Advisory Committee for Aeronautics,1929.

[8]WAGNER H.Landing of Sea Planes[R].US:National Advisory Committee for Aeronautics,1931.

[9]STAVOVY A B,CHUANG S L.Analytical Determination of Slamming Pressure for High-speed Vehicles in Waves[J].Journal of Ship Research,1976,20(4):190-198.

Slamming-Resistant Performance Research on Bow Structure for River-sea Ship

SHAO Zhu-feng,ZHANG Ji-ping,XIE Yong-he
(School of Naval Architecture and Mechanical-electrical Engineering of Zhejiang Ocean University,Zhoushan 316022,China)

Bow structure strength of river-sea ship is researched under slamming load thinking about the characteristic of larger bow flare and smaller molded depth.Slamming theory are discussed,and slamming load on bow structure are resolved into water enter impact pressure,collision impact pressure and green water impact pressure.Then,slamming-resistant performance of bow structure for 45 000 DWT river-sea ship is simulated under hydrostatic pressure and slamming load with different velocities.Results show that deformation and stress are influenced greatly by slamming load,and it is necessary to focus on structure strengthening and fatigue strength assessment for flare structure.

river-sea ship;bow structure;slamming load;green water

U661.4

A

1008－830X(2016)05－0436－05

2016-08-01

浙江省自然科学基金（LY14E090002）；国家自然科学基金（51409232）

邵珠峰（1991-），男，山东滨州人，硕士研究生，研究方向：船舶与海洋结构物设计制造.E-mail:1049336760@qq.com

张吉萍.E-mail:zhangjiping@zjou.edu.cn