5000吨级公务船波浪载荷预报与分析

宋扬 刘亚东

摘 要：以两型5000吨级公务船为例，介绍了波浪载荷预报的方法和原理，并通过直接计算得到两型船的垂向波浪弯矩、剪力长期预报值，再将波浪载荷预报值与中国船级社规范值进行对比分析，探究波浪载荷预报对中大型公务船总纵强度的影响，为后续类似船型开发设计提供参考。

关键词：波浪载荷预报;公务船;总纵强度

中图分类号：U662              文献标识码：A            文章编号：1006—7973（2021）01-0148-03

随着海洋战略的实施，近年来我国投资兴建了一系列公务船，功能多样、种类齐全，极大地增强了维护国家海洋权益的实力。随着公务船大型化的发展、使命任务的增加以及船体轻量化的要求，公务船的总纵强度成为设计过程中需要重点关注的方面。

中国船级社（后简称CCS）《钢制海船入级规范》在船体总纵强度部分明确规定对于具有表1所列一个或多个特征的船舶，应采用直接计算的方法确定该船的波浪载荷。

受使命任务限制，部分公务船满足波浪载荷直接计算的特征，需进行波浪载荷预报，该文以两型5000吨级公务船为例，其主尺度如表2所列，探究波浪载荷预报对中大型公务船总纵强度的影响。

1计算原理

建立船体的三维湿表面模型和质量模型，按照三维绕辐射势流理论，计算作用在船体上的流体动力，获得波浪诱导的船体剖面剪力和弯矩载荷响应的传递函数。再通过短期预报和长期预报，得到船体波浪剪力和弯矩的设计值，为目标船的结构设计和强度校核提供参考依据。

1.1计算参数

1.1.1规则波响应计算参数

（1）波浪频率：0.1-2.5rad/s，以0.05 rad/s为间隔;

（2）浪向：0-180°，以15°为间隔;

（3）航速：0 kn;

（4）水深：无限水深。

1.1.2长期预报计算参数

（1）概率水平：10-8 ;

（2）波浪谱：海浪谱选用P-M谱，如公式1所示，

其中，Hs表示有义波高，Tz表示平均跨零周期。

（3）海浪散布图：按照CCS《钢质海船入级规范》2018要求选取北大西洋波浪散布图，如图1所示。

1.2 三维水动力模型

采用挪威船级社开发的通用软件HydroD（WADAM）/POSTRESP，根据两条船的型线分别建立A船、B船的三维湿表面模型，具体如图2、图3所示，形状变化较大区域的网格进行适当加密。

全船的质量分布通过质量点来模拟，采用简化的质量模型，即每个肋位的质量等价于左右舷两个质量点和连接两质量点的零质量棒，质量点的垂向位置为对应工况的全船重心高度，零质量棒的长度为对应工况的横摇惯性半径的两倍。

1.3传递函数

传递函数是指船体在单位波幅的规则波作用下的响应。船体响应包括船体六个自由度的运动（纵荡、横荡、升沉、横摇、纵摇和首摇），波浪作用在船体外壳上的波动压力，波浪诱导的剖面载荷（波浪弯矩、剪力或扭矩等）以及由于船体运动引起的惯性力和加速度等。

船体重心处运动响应的传递函数通过求解规则波中的船体运动方程获得，之后可以按照达朗伯原理进一步计算船体剖面载荷响应的传递函数。

2波浪载荷预报

在获得船体剖面载荷响应的传递函数后，即可结合短期海况的海浪谱计算其响应谱，大量的实践表明，船体运动与波浪载荷幅值的短期响应服从Rayleigh分布，这样便可获得船体剖面载荷响应短期预报的各种统计值，包括均值、有义值、十一值等。而船体剖面载荷响应的长期分布由各响应的短期分布拟合求得，最终获得指定超越概率水平的波浪载荷响应的长期极值。

选取满载出港和压载到港两种典型装载工况进行长期预报，得到A、B两船沿船长分布的垂向波浪剪力和垂向波浪弯矩，如图4～图7所示。

由图4～图7的对比中可知两型5000吨级公务船在垂向波浪彎矩、剪力的分布上具有高度的相似性，并可获得两种典型工况下船中0.4L至0.6L区域的垂向波浪弯矩峰值以及首尾区域的两个垂向波浪剪力峰值，如表3所示。

通过线性波浪理论直接计算得到的波浪载荷是线性的，需要按照CCS规范要求进行非线性修正，从而得到中拱、中垂状态下的波浪弯矩以及波浪剪力，再将修正后的波浪载荷预报结果与通过CCS规范公式计算得到的波浪弯矩、剪力峰值进行对比，如表4所示。

由表4可知：

（1）波浪载荷预报对两型船波浪弯矩的影响不同，A船增加约20%，B船几乎无影响;

（2）两型船波浪载荷预报得到的波浪剪力值都大幅增加，A船增加约62%，B船增加约40%。

3 结论

通过对两型5000吨级公务船进行波浪载荷预报和对比分析可以得出以下结论：

波浪载荷预报结果和船型主尺度相关，对短而宽且型深较大的A船影响更大，垂向波浪弯矩和剪力都大幅增加，对长而窄的B船仅影响垂向波浪剪力;

由于船体结构轻量化的要求，中大型公务船总纵强度裕度越来越小，对于满足波浪载荷直接计算特征的公务船，在前期设计阶段须考虑其对总纵强度的影响，避免后期方案修改，两型船波浪载荷预报结果可供后续类似船型参考。

参考文献：

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