11 000 DWT液货船耦合运动响应研究

杨 阳，赵 俊，张吉萍

（1.浙江海洋大学船舶与机电工程学院，浙江舟山 316022；2.舟山市港航管理局船舶检验处，浙江舟山 316022）

11 000 DWT液货船耦合运动响应研究

杨 阳1，赵 俊2，张吉萍1

（1.浙江海洋大学船舶与机电工程学院，浙江舟山 316022；2.舟山市港航管理局船舶检验处，浙江舟山 316022）

大型液货船液舱具有宽度较大、装载深度高的特征，在波浪作用下产生的液舱晃荡将影响船体的运动。本文基于势流理论，应用SESAM水动力分析软件在频域范围内对11 000 DWT液货船进行了耦合运动响应研究，对比分析了考虑液货晃荡与不考虑液货晃荡条件下的船舶运动响应，对比分析了液货装载率对船舶运动响应的影响规律研究。

液货船；晃荡；装载率；耦合运动

随着海洋油气资源开采和运输量增加，国际市场对于液货船的需求也日益增长，同时液货船具备运输效率高效且运输费用较低的优势。液货船具有宽度较大、装载深度高的特性，在一定频率范围的波浪作用下，船体运动会导致剧烈的液舱晃荡，而晃荡载荷对船体结构和运动响应都将造成重大影响。因此，液舱晃荡对于液货船水动力性能影响不可忽略。针对计及液舱晃荡的船舶运动响应，目前国内外学者主要通过数值模拟和模型试验进行研究。模型试验方面，比较典型是MARIN水池[1]对FPSO进行了液舱晃荡与船舶六自由度的耦合运动试验。数值计算方面，主要基于线性势流理论进行研究。LEE[2]、KIM[3]和MOLIN[4]等的研究成果表明，在不出现强非线性现象时，采用线性势流理论能够准确获得液舱晃荡与船舶耦合运动结果。

论文基于线性势流理论，选用DNV水动力软件SESAM，计算分析了11 000 DWT液货船在不同载液深度条件下液货船考虑液舱晃荡与忽略液舱晃荡的运动响应对比研究，论文工作对于液货船水动力响应规律研究及提高船舶稳性具有重要意义。

1 船舶运动方程

根据刚体力学方程[5]，在不考虑液舱晃荡情况下，船体在水中的六个自由度运动方程为

式中：Mij为广义质量矩阵；aij(ω)为附加质量矩阵；C(ω)为阻尼系数矩阵，K为回复力刚度矩阵。

如果考虑液货晃荡影响，如假设船舶进行微幅运动，液舱晃荡与船体运动可以通过线性势流理论进行耦合计算。为了考虑粘性作用的影响，采用添加线性阻尼的方法弥补粘度造成的误差[7]。

式中：γ为系统阻尼。则船舶运动和液舱晃荡耦合运动方程如式（3）所示

液舱内不考虑惯性力，液舱对船体的作用力可表示为式（4）。

将方程（4）代回方程（3）中，得到基于线性势流理论的船舶运动和液舱晃荡的耦合运动方程式为，

2 11 000 DWT液货船数值模拟

2.1 11 000 DWT液货船

11 000 DWT油船，船长126 m，型宽20 m，型深10.2 m，空船质量4 000 t。全船有10个货舱，舱室长度为16.8 m，宽度为8.9 m，高度为10.2 m。根据船型设计，建立全船有限元结构模型如图1所示。模型忽略了部分次要构件和船上设备重量，为保证船舶运动响应的准确性，对船体密度进行调节，并在部分区域设置质量点。

图1 11 000 DWT液货船模型Fig.1 11 000 DWT tanker model

2.2 有无晃荡载荷情况六自由度的运动响应对比

下面对11 000 DWT液货船在装载40%情况下在六自由度方向上的运动响应进行数值模拟，结果如图2所示。

对比有无晃荡的船体运动响应结果，液舱晃荡载荷对船舶的垂荡，纵摇和横荡运动并没有多大影响，对于船舶的纵荡响应影响较小，而对船舶的横摇运动响应和首摇运动响应影响较大。液舱晃荡不仅改变了船体首摇运动响应幅值还改变了运动趋势。液舱晃荡虽然没有改变横摇运动响应趋势但是引起了响应幅值的较大变化，尤其在0.6～0.9这一频域范围内，两者响应幅值相差最大。船舶运动响应的区别应该是来自液舱和船体共振产生剧烈晃荡所造成的影响。可见，液舱晃荡对船体运动响应研究不容忽视。以下将进一步对不同装载率下的横摇运动和首摇运动响应结果进行分析。

2.3 不同装载率下有无晃荡载荷横摇运动响应对比

下面对不同装载条件下11 000 DWT液货船是否考虑晃荡影响的横摇运动响应进行数值模拟，结果如图3所示。

图2 浪向角90°下船体六自由度运动响应（装载率40%）Fig.2 The RAOs of ship in the beam sea(filling with 40%)

图3 不同装载率下横摇运动响应对比Fig.3 The motion response of roll in different filling

对比不同载液状况下的有无晃荡载荷的横摇运动响应，液舱晃荡对船舶运动响应的影响也不一致。由图中看出，随着装载率增大，液舱晃荡对11 000 DWT液货船的船体运动影响逐渐减少。在装载75%时，液舱晃荡影响最小，与不考虑晃荡的运动响应结果相近。

2.4 不同装载率下有无晃荡载荷首摇运动响应对比

下面对不同装载条件下11 000 DWT液货船是否考虑晃荡影响的首摇运动响应进行数值模拟，结果如图4所示。

图4 不同装载率下首摇运动响应对比Fig.4 The motion response of yaw in different filling

在低液装载状态下，液舱晃荡对船体的首摇运动影响并没有规律可循。在高装载率情况下，是否考虑液舱晃荡的船舶首摇运动响应逐渐相似。并且，随着装载率增大，在频率在0.4 rad/s之后其响应幅值的差值也逐渐减少。

2.5 11 000 DWT液货船运动响应汇总

上述分析表明，液舱晃荡对液货船的运动响应有着一定的影响，因此，下面对不同装载条件下11 000 DWT液货船运动响应进行数值模拟，结果如图5所示。

图5 不同载液深度下的船体六自由度运动响应Fig.5 The six-RAOs of tanker in different filling

对于液货船的垂荡、横荡运动，不同频率下船舶的垂荡和横荡的运动响应数值相近，可见不同载液率对于船舶的垂荡和横荡运动影响较少。对于液货船的首摇、纵摇和纵荡运动，随着载液深度增加，运动响应明显加剧且没有一定的规律，波浪对船舶的首摇运动最大也不超过0.12deg/m，因此，可以忽略液货晃荡对船舶首摇运动响应影响。对于液货船的横摇运动，随着载液率减少，船舶横摇共振频率朝着高频方向偏移，另外，随着载液率增加，船舶的运动影响也逐渐增大。

3 总结

本文基于线性势流理论，选用DNV三维线性水动力分析软件SESAM，计算分析了在不同载液深度下对考虑液舱晃荡与忽略液舱晃荡两种情况的六自由度的运动响应，从而获得以下结论：液舱晃荡对于船体的运动响应不容忽视，液货与船体结构将于某一频率处产生共振；载液深度对液货船横摇运动影响最大，对垂荡和横荡运动影响较小，而首摇，纵摇和纵荡运动影响可以忽略；随着载液深度的增加，液舱晃荡载荷对于船舶的横摇运动影响逐渐减少，共振频率也朝向低频移动。

[1]ROGNEBAKKE O F,FALTINSEN O M.Coupling of Sloshing and Ship Motions[J].Journal of Ship Research,2009,47(3):208-221.

[2]LEE S J,KIM M H,LEE D H,et al.The effects of LNG-sloshing on the global responses of LNG-carriers[J].Ocean Engineering,2008,34(1):10-20.

[3]KIM Y,NAM B W,KIM D W,et al.Study on coupling effects of ship motion and sloshing[J].Ocean Engineering,2007,34(16): 2 176-21 87.

[4]MOLIN B,REMY F,RIGAUD S,et al.LNG FPSO’s:frequency domain,coupled analysis of support and liquid cargo Motion[C] //Proceedings of the 10th International Maritime Association of the Mediterranean(IMAM)Conference,Rethymnon,Greece.2002.

[5]刘应中.船舶在波浪上的运动理论[M].上海:上海交通大学出版社,1987.

[6]LEE S J.The effects of LNG-sloshing on the global responses of LNG-carriers[D].Texas A&M University,2008.

[7]赵小西.液舱晃荡及其对船舶运动的影响研究[D].大连:大连理工大学,2014.

Research on Coupling Motion Response of 11 000 DWT Liquid Cargo Tanker

YANG Yang1,ZHAO Jun2,ZHANG Ji-ping1
(1.School of Naval Architecture and Mechanical-Electrical Engineering of Zhejiang Ocean University,Zhoushan 316022;2.Ship Inspection Division,Zhoushan Administration Bureau of Port and Fariway,Zhoushan 316022,China)

The motion responses of liquid cargo tanker are effected obviously by the liquid sloshing in the wave because the characteristic of wider molded breadth and deeper cargo.The coupling motion of the 11 000 DWT tanker are calculated by hydrodynamic analysis software Sesam(DNV)in frequent domain based on the thre-dimensional linearized potential flow theory.The motion responses results considering with liquid sloshing and without liquid sloshing are compared,and the influence rule from the different liquid loading rates on ship motion responses is analyzed.Research in the paper is of important guiding significance to liquid cargo ship hydrodynamic performance analysis.

liquid cargo tanker;sloshing;loading rate;coupling motion

U664

A

1008-830X(2016)04-0332-05

2016-05-30

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

杨阳（1991-），浙江台州人，硕士研究生，研究方向：船舶与海洋结构物设计制造.