双体甲板运输船波浪载荷

吴俊涛

（北海启航船舶设计有限公司，广西北海 536000）

0 引言

双体船因具有宽大的甲板面积、良好的阻力性能及稳性而备受欢迎。然而，双体船在船体结构的设计、强度校核以及波浪载荷预报方面给设计者带来了诸多挑战。通常，双体船两侧的片体通过中间的连接桥加以连接而形成一个整体，而营运过程中在连接桥以及片体的甲板面上均装载货物，连接桥承受较大的波浪扭矩和横向波浪弯矩作用。因此，双体船连接桥的波浪载荷计算是双体船设计的核心内容之一。而然，相比于设计较为成熟的高速双体船而言，双体甲板运输船则为低速双体船（尤其是尺度较大的低速双体船），其设计方法还未成熟。

目前，中国船级社发布的《国内航行海船建造规范》[1]中并未给出关于船长大于60 m的低速双体船波浪载荷计算的具体方法。以往是参照《海上高速船入级与建造规范》[2]中关于高速双体船的规范公式来计算的，但这显然不合适。对于低速双体船而言，需要有一套适用于其自身特点的波浪载荷计算方法，这样才能全面地计算其载荷大小并评估船体的结构强度。本文以某67.2 m双体甲板运输船为例，使用DNV GL的SESAM软件对其波浪载荷进行直接计算分析，并对比分析采用“规范方法”与“直接计算方法”得到的波浪载荷值，为低速双体船的波浪载荷计算提供参考与指导。

1 船体参数

67.2 m双体甲板运输船船体主要参数见表1。

表1 船体主要参数

一般而言，B/D不宜超过2.5，本船的B/D为5.533，说明还需重点关注船体的横向强度。此外，就双体船的结构特点而言，连接桥结构会受到较大的波浪扭矩和横向波浪弯矩作用，因此需要重点关注横向载荷的计算。其次，本船的L/D为 21.33，而常规船舶的L/D一般控制在 15以内。因此，纵向波浪弯矩也是本船需要重点考察的内容。

2 波浪载荷的直接计算方法

双体船的波浪载荷计算内容主要包括：纵向波浪弯矩、波浪扭矩和横向波浪弯矩。波浪载荷的直接计算是基于三维线性势流理论进行的[3]。首先，采用水动力分析软件SESAM的GeniE模块建立船舶的外壳模型和各载况下的质量模型。其次，在SESAM的HydroD模块中导入外壳模型生成水动力模型，并附加各载况下的质量模型，计算船体在单位波幅规则波中的水动力响应。最后，在SESAM的Postresp模块中根据船舶航行区域的波浪散布图采用统计的方法得出船舶的各向波浪载荷计算值[5-6]。

2.1 水动力模型的建立

将 GeniE模块中建立的船体外壳模型导入HydroD中即可生成水动力模型（Panel模型），设定吃水后程序则自动将水线以下的外板单元定义为湿表面。坐标系统采用右手坐标系，原点位于 Fr0船底中线处，在x轴向船首为正方向，y轴向左舷为正方向，z轴向上为正方向，GeniE和HydroD环境下的Panel模型如图1和图2所示。

图1 GeniE环境下的Panel模型（一半）

图2 HydroD环境下的Panel模型

2.2 质量模型的建立

根据稳性计算书可知每种装载工况下的重量分布，采用SESAM/GeniE，分别建立了相应的质量模型。根据重量分布资料，质量模型是以质量棒的形式加在船体重心所在水平面上的，按照其重量分布，将该船的重量分布在船长上。本文建立了14种装载工况的质量（mass）模型，其中工况1～10的货物在船宽方向均匀分布，见图3；工况11～12的货物只分布于连接桥上，见图4；工况13～14的货物只分布于片体上并呈对角布置，见图5。

图3 工况1～10质量模型示意图

图4 工况11～12质量模型示意图

图5 工况13～14质量模型示意图

2.3 计算工况及波浪载荷的短期预报方法

根据本船的装载情况，计算选取了14个工况，见表 2。该计算的目标为船体纵向波浪弯矩、横向波浪弯矩及波浪扭矩。因此，对应选取船体横剖面上（平行于YZ面）的绕y轴弯矩、船体纵剖面上（平行于XZ面）的绕x轴弯矩及绕y轴弯矩作为主要载荷控制参数。计算工况见表 2，各参考截面见图6和图7。

图6 参考横剖面

图7 参考纵剖面

表2 计算工况

基于上述主要载荷控制参数，在HydroD模块中计算船体在单位波幅的规则波中的水动力响应（即短期预报）。在短期预报中，所选规则波的波浪频率范围为0.5 rad/s～2.3 rad/s，步长取0.05，共选取37个频率；0°～180°内共选取了13个浪向角，间隔15°，见图8。

图8 浪向角

2.4 波浪载荷的长期预报

长期预报即在短期预报的基础上，结合波浪散布数据采用统计的方法，得到主要载荷控制参数的长期预报值。在长期预报中，认为所选取的13个浪向角等概率出现，且波浪谱采用常用的P-M谱[1]，见式（1）。

计算时以中国沿海区域的波浪散布数据建立波浪统计资料[4]。长期预报结果为 10-8，超越概率水平下的船体纵向波浪弯矩、横向波浪弯矩及波浪扭矩。各计算结果见图9、表3和表4。

由计算结果可知，纵向波浪弯矩的最大值为4.727×107N·m，出现在LC5工况时，位置在中横剖面附近；横向波浪弯矩的最大值为4.828×106N·m，出现在LC9工况（货物置于连接桥）时，位置在中纵剖面处；波浪扭矩的最大值为4.691×107N·m，出现在LC5工况时，位置在连接桥与片体连接处。

3 波浪载荷的规范计算及比较

《海上高速船入级与建造规范》中给出了高速双体船波浪载荷的规范计算公式。参照该方法，《国内航行海船建造规范》给出了船长小于60 m且主尺度满足规范要求的低速双体船横向波浪弯矩和波浪扭矩的规范计算公式。采用规范公式来计算该船的横向波浪弯矩和波浪扭矩，并比较规范计算值与直接计算值的差别。

图9 各工况纵向波浪弯矩沿船长分布

表3 各工况横向波浪弯矩（单位：N·m）

表4 各工况波浪扭矩（单位：N·m）

横向波浪弯矩Mbx按式（2）计算[1]。

波浪扭矩Mty按式（3）计算

计算结果可知，横向波浪弯矩的规范计算值严重失真，出现了负值；而波浪扭矩的规范计算值则约为直接计算值的1.4倍。这二者均不能作为结构设计及强度校核的依据。

由式（2）和式（3）中参数C1和C2的表达式分析可知，该船由于型深D偏小，导致参数C1变成了负数，同时由于型宽B偏大，导致参数C2接近为 1，由此造成了横向波浪弯矩规范计算值的失真。对于波浪扭矩Mty，本船船长略大于60 m，按规范公式计算得到的结果却约为直接计算值的 1.4倍。由此可见，规范公式的适用范围偏小，对船舶的主尺度比要求严格，而直接计算法适用于任何船型，并且能准确地反应出船体的载荷情况。

4 结论

1）低速双体船波浪载荷的计算原理与高速双体船间具有较大区别，前者为排水型船舶，波浪载荷多以水动压力的形式表现；后者属于非排水型船舶，波浪载荷多以波浪冲击力的形式表现。

2）波浪载荷计算方法中，规范方法的适用范围偏小，对船舶的主尺度比要求严格，公式的使用具有较大的局限性。对于低速双体船，尤其是尺度较大的低速双体船，须依靠直接计算方法才能全面准确地分析其波浪载荷的大小。

3）波浪载荷的直接计算基于势流理论，各载荷的计算值是在短期预报的基础上结合船舶实际航行海域的波浪散布资料，并通过统计的方法得到，结果准确度高，对开展结构设计及强度校核具有重要的指导意义。