船艏外飘砰击三维仿真研究

高丽莎++周盼

摘 要：砰击是运动着的船体与波浪相互作用而产生的高度非线性现象。一般包括底部砰击、外飘砰击和上浪砰击三种类型。本文利用Ls-dyna软件研究了江海直达船船艏外飘砰击压力，建立了包含空气、水和三维船艏的流固耦合模型。提取有限元模型中的外飘砰击压力，探讨在不同速度以及不同入水角度下，外飘砰击压力与速度的关系，以及外飘砰击压力沿船长和沿高度方向的分布规律。

关键词：外飘砰击 流固耦合 非线性有限元

中图分类号：U66 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2017）08（c）-0062-02

外飘砰击是船舶在海上运动时，当波浪冲击船艏外飘区域时，常常会产生很大的脉冲水动力，使船体的加速度发生突变的一种现象。通常集装箱船、航空母舰等具有较大船艏外飘的船舶，需要考虑外飘砰击带来的威胁[1]。目前国内有一些研究外飘砰击的文献，比如赵留平利用MSC.Dytran软件研究了船艏外飘砰击[2]。彭晟等对江海直达船艏部结构进行了入水砰击试验[3]。

1 三维船艏外飘砰击数值仿真

江海直达船是一种能够在内河以及沿海两个航区航行的船舶，许多江海直达船使用集装箱船的形式，首部有较大外飘。以某江海直达船为例子，运用Ls-dyna显示动力分析软件，以1∶1比例取该船船体155#肋位至船艏建立三维船体仿真模型。该船设计吃水为5.5m。

将模型置于100m×80m×60m的水域以及100m×80m×20m的空气域中。流体（水和空气）均采用Gruneisen状态方程，模型则视为刚体。水和空气采用Euler网格建模，单元使用单点积分的多物质ALE算法；结构模型采用Lagrange网格建模。结构与流体间采用ALE一般耦合算法，将两者的交界面即船体外壳定义为流固耦合面。空气域和水域的网格按照中心加密的不等密度网格划分，靠近模型的空气域和水域的网格较密。空气域和水域的四周采用无反射边界条件。坐标轴采用右手定则，沿船长方向为x轴，沿高度方向为y轴，沿船宽方向为z轴。结构物模型以5.5m设计吃水置于水域中。整体模型如图1所示。

2 船艏外飘砰击压力规律分析

2.1 结构物垂直入水

船艏外飄砰击压力主要由两部分组成，一是由船体与波浪的相对速度在水面的法向分量引起的冲击表面与波浪之间的入水冲击压力Pi；二是船体与波浪的相对速度在水面的切向分量引起的冲击表面与水质点之间的撞击冲击压力Ps。撞击冲击压力远较入水冲击压力小。现将结构模型以5m/s、6m/s、7m/s的速度垂直入水。

取结构模型170#肋位处，7米水线、9米水线、11米水线上的点的砰击压力峰值，与入水速度的平方做比较，可以看出砰击压力峰值基本成线性关系。砰击压力峰值与速度平方的关系如表1所示。由表1可以看出，在同一水线下，砰击压力峰值随着入水速度的平方的增大而增大。

2.2 结构物斜至入水

为了能够更好地模拟船舶在波浪中受到外飘砰击压力的作用，现将结构物模型斜置于水面。由于江海直达船主要航行于E1海域，由统计资料得到E1海域有一波较危险的情况是在6～7.5m，且平均跨零周期在8～10s，由此可得到危险情况下波陡的大小。故将模型旋转5°、10°、15°、20°，用以比较在相同速度（5m/s）不同角度下，砰击压力的大小。

结构物模型与水面呈20°，如图1所示。不同角度下，船艏外飘砰击压力在7米水线各点处的变化如表2所示。由表2可知，外飘砰击压力在不同的角度下，沿船长方向角度越大砰击压力越大。当船艏斜至20°时，在7米水线处，砰击压力的变化幅度较大。模型以同一速度，不同角度入水时，在180#肋位处的砰击压力变化见表3。由表3可知，外飘砰击压力在不同的角度下，沿高度方向，角度越大砰击压力越大。当船艏斜至20°时，砰击压力沿180#肋位变化幅度较大。

3 结论

外飘砰击压力属于非线性问题，具有一定的复杂性。本文利用Ls-dyna软件，考虑流固耦合的作用，取得各点处的外飘砰击压力，得到以下一些结论：（1）随着速度的增加，外飘砰击越来越大，砰击压力正比于各点处的入水速度。（2）外飘砰击随高度的增加而降低，靠近设计吃水处，外飘砰击较大。（3）沿船长方向，在靠近船艏处，外飘砰击一般较大。（3）随着入水角度的改变，外飘砰击发生变化，一般情况下，入水角度越大，外飘砰击越大。

参考文献

[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.

[2] 赵留平.船舶艏部外飘砰击压力的仿真研究[J].四川兵工学报，2015，36（10）：15-17.

[3] 彭晟，吴卫国，夏子钰.江海直达船艏部结构入水砰击试验[J].中国舰船研究，2016，11（4）：14-21.endprint