首尾开槽类船体结构的波浪外载荷研究

许慧洋孙雪荣

（1.海军驻广州四二七厂军事代表室 广州510715；2.中国船舶及海洋工程设计研究院 上海200011）

首尾开槽类船体结构的波浪外载荷研究

许慧洋1孙雪荣2

（1.海军驻广州四二七厂军事代表室 广州510715；2.中国船舶及海洋工程设计研究院 上海200011）

文章从规范公式计算、三维线性势流理论预报两方面进行了首尾端开槽的绞吸式挖泥船船体结构波浪外载荷研究。三维线性势流理论预报的波浪外载荷计算是基于实际模拟船体开槽区域的开敞式湿表面和将船体开槽区域定义为船体内部液舱的两种不同方式进行。基于工程设计的实际出发，论文旨在综合探讨适合于首尾端开槽的船体结构波浪外载荷计算方式，并进而解决首尾端开槽结构的船型总强度设计载荷问题。

湿表面；波浪载荷；势流理论；内部液舱；总强度

引 言

对于大功率自航绞吸挖泥船，从总布置特点来看，在首尾船端设有大型重型设备钢桩台车和绞刀桥架，并在钢桩台车行程范围内设有较大的船体开孔，在绞刀桥架区域船体为开体结构，三维典型示意图见图1。首尾端开槽区域的长度可达船长的40%以上，研究钢桩台车和绞刀桥架区的类月池开槽结构对此类工程船的船体波浪载荷的影响至关重要。

月池类结构属于特种工程应用船的特有结构，因此，对波浪载荷的影响尤其是局部所在区域的水压力影响相比一般船舶的主尺度影响显得更为特殊，近年来对大量工程应用船（如绞吸挖泥船、钻井船类），为方便收放设备、潜水钟或铺设缆线、安装立管等，越来越多的工程船在船体上布置垂向上贯穿船体，内外海水相连，腔内有自由液面的月池结构［1］。通常，月池设置的目的是为提供一个相对稳定的工作环境，使工程作业不受海上风浪的干扰，但是当有共振现象出现时，月池内流体振荡的幅度将达到来流干扰幅度的3～4倍，如果此时船体在航行状态，共振现象将产生巨大的阻力，并且在月池内流体大幅晃荡的条件下，船体还将产生升沉或摇摆运动，这都将对船体的正常工作带来不利影响。

本文将绞吸挖泥船类这种首尾端开槽结构称为类月池结构，以区别于目前常规意义上的工程月池结构。首尾端船体开槽首先会干扰船体遭遇迎浪或斜浪时的波浪，与常规月池类结构的船体波浪载荷有较大不同，目前对于首尾开槽类月池结构对工程实际设计的理论和实验研究大多集中于对总体航行性能［3］的研究，鲜有对船体波浪载荷的具体影响研究。本文立足于工程实际设计，从规范设计出发，着眼于船体总强度［4-5］设计，研究首尾端船体开槽对船体波浪载荷的具体影响；目标研究船尾部绞刀桥架区域开槽尺寸为29.4 m×8.0 m（长×宽），首部主钢桩台车开槽尺寸为23.1 m×6.6 m（长×宽），辅钢桩开槽尺寸约3.3 m×2.7 m（长×宽），结构计算船长为115.0 m，首尾端船体湿表面开槽尺寸占船体结构计算船长的45.7%（未计入辅钢桩开槽尺寸）。

1 波浪载荷直接计算

为立足目标船工程实际，本文共考虑以下三种波浪载荷的计算值：

（1）湿表面1下的三维势流理论预报。船体湿表面为实际开槽湿表面，并计入右前部辅钢桩开槽区域（见图2）。

（2）湿表面2下的三维势流理论预报。船体湿表面为封闭湿表面，但首尾开槽区域模拟为内部液舱，并配套同步更新各种装载情况及稳性计算书（见图3）。

（3）规范公式计算。基于常规封闭船体湿表面，其中，湿表面1和湿表面2的波浪剪力和弯矩计算采用DNV船级社开发的SESAM/WADAM和SESAM/POSTRESP程序。该程序是基于三维绕辐射势流理论，可完成海上结构物的运动响应与波浪载荷预报，均选取目标船航行状态典型控制工况，采用长期预报方法。长期海况取为北大西洋波浪散布图，长期预报的概率水平取为10-8，质量模型以零质量棒的形式加在船体重心所在水平面上，零质量棒上两端质量点的间距为横摇惯性半径的两倍。两种不同湿表面下的波浪载荷传递函数示意图见下页图4—图5，相应的波浪载荷沿船长分布的比较见下页图6；共计三种不同方法的波浪载荷最大值列表见下页表1，其中，规范计算的详细公式及说明，见参考文献［2］。

表1 波浪载荷最大值列表

由以上计算结果可知：

（1）完全模拟首尾端开槽区域的船体湿表面1下预报得到的波浪载荷传递函数相对湿表面2下预报得到的波浪载荷传递函数，前者受到开槽区域的船体湿表面影响较为明显，扰动较大；波浪剪力和弯矩传递函数均出现两次较为明显的峰值，波浪周期为6 s、9 s，湿表面2下的波浪剪力和弯矩传递函数均出现近乎单峰值，波浪周期约为9 s。

（2）由两种湿表面模拟方法下的波浪载荷直接预报值沿船长分布的比较可知，首部开槽区域对船体波浪载荷的影响主要为波浪载荷的分布和极值大小影响，而尾部开槽区域对波浪载荷的影响主要体现在波浪载荷极值大小的影响。

（3）湿表面1下的波浪载荷计算结果小于将首尾端开槽区域定义为内部液舱的船体湿表面2下波浪载荷计算结果，其中，湿表面2相对湿表面1下的波浪剪力增加约5%，波浪弯矩增加约7%。

（4）湿表面1和湿表面2下三维理论预报得到的波浪剪力均比规范公式的计算值大30%以上，但波浪弯矩直接计算值与规范公式的计算值在整体量级上基本相当。

2 波浪载荷非线性修正

从目前规范［2］设计而言，此类绞吸挖泥船因主尺度比并不符合规范的要求，均需进行波浪载荷的直接计算。基于三维线性波浪理论计算得到的波浪载荷，需由规范按照以下要求进行非线性修正。

2.1 中拱波浪弯矩MW（+）和中垂波浪弯矩MW（-）

式中：Cb为方形系数，计算取值应不小于0.6。

2.2 中拱波浪剪力FW（+）和中垂波浪剪力FW（-）

虽然湿表面1和湿表面2下的波浪载荷直接计算值沿船长的分布呈现出较明显的差异，但规范目前针对三维线性理论直接计算求得的波浪载荷明确规定需进行非线性修正计算，而波浪载荷设计值的分布依旧沿用传统的规范分布；所以基于波浪外载荷直接计算求得的最大值就成为目前规范规定下的波浪外载荷设计值具体确定的唯一决定因素。

从规范非线性修正而言，湿表面2相对湿表面1下的波浪剪力增加约5%，波浪弯矩增加约7%的影响就需引起设计人员的注意；而且，传统月池类结构的动载荷研究大多仍基于对“活塞”和“晃荡”的局部范围的运动影响［1，6，7］；但绞吸挖泥船的首尾开槽结构并非传统的月池结构，其单个开槽尺寸就已达到船体结构计算船长的20%以上，首尾开槽尺寸总计达到结构计算船长的45%以上，理论界对此类较大开槽尺寸的结构局部运动引起的船体总体波浪载荷现象深入研究几乎空白，工程界设计目前的船模试验也仅限于对总体航行性能的影响；同时，为工程设计安全起见，目前的波浪载荷最终设计值一般取直接预报值和规范经验公式计算值的较大者；因而建议实际工程设计中，目标船对于尾部绞刀桥架开槽区域和首部钢桩台车区域的船体湿表面的开口结构定性为内部液舱，内部液舱的液面与相应计算状态的舷外水液面保持一致，从内部液舱的角度去研究船体总强度下的外载荷，进而为船体总体结构提供波浪载荷设计值基础。

值得注意的是，本文是基于船体总强度设计下的波浪外载荷研究，目标船对于尾部绞刀桥架开槽区域和首部钢桩台车区域的船体开口结构的局部构件尺寸核算和确定时，必须按照目前比较成熟的类月池结构的“活塞”和“晃荡”运动影响下［1，6］，此类船体结构的局部静、动载荷进行综合核算，很有可能出现此类结构的局部构件尺寸设计以局部载荷为控制设计工况而非本文研究的船体总强度下波浪外载荷的现象。

3 结 论

根据上述研究可知，绞吸式挖泥船首尾开槽区域的开孔结构对船体波浪外载荷的分布存在较明显影响；基于总强度设计的绞吸式挖泥船波浪外载荷设计值的确定，建议在对首尾开槽区域定性为内部液舱下的三维封闭水动力模型下进行计算。本文通过针对目标船的总强度下波浪外载荷研究，为实际绞吸式挖泥船的结构设计波浪外载荷和总强度分析提供理论研究的基础。

［1］康庄. 月池流噪声及水动力特性的实验研究［D］.哈尔滨：哈尔滨工程大学， 2006.

［2］中国船级社.钢质海船入级规范［S］. 2015.

［3］曹雪. 内河大型自航绞吸挖泥船的阻力性能研究［D］.上海：上海交通大学， 2013.

［4］王军辉，夏利娟. 自航绞吸挖泥船全船结构强度和总振动特性评估［J］.船舶工程， 2013（4）：11-14，26.

［5］王军辉. 自航绞吸挖泥船结构强度和动力响应的分析与优化［D］.上海：上海交通大学， 2013.

［6］赵尚辉，刘见华.船底月池流激振荡特性研究［J］.上海造船， 2010（1）：35-38.

［7］周华伟.月池中流体活塞和晃荡运动的研究［D］.上海：上海交通大学，2013.

Wave loads on hull structure of bow and stern slotted ship

XU Hui-yang1SUN Xue-rong2
(1.Navy Military Representative Off ce in Guangzhou No.427 Company, Guangzhou 510715, China; 2.Marine Design & Research Institute of China, Shanghai 20001 1, China)

The wave loads on the hull structure of bow and stern slotted ships are investigated through the calculation by the conventional formula and prediction by the three-dimensional linear potential theory. The wave loads are predicted by the three-dimensional linear potential theory based on two different ways by taking the slotted area as factual opening wetted surface and inner liquid cabin. This paper discusses the method suitable for the calculation of the hull structure of bow and stern slotted ships from the practical engineering design. The design loads about the global strength of the bow and stern slotted ships are then solved.

wetted surface; wave loads; potential theory; inner liquid cabin; global strength

U661.4

A

1001-9855（2017）03-0036-05

10.19423 / j.cnki.31-1561 / u.2017.03.036

2017-03-13；

2017-04-13

许慧洋（1979-），男，硕士，工程师。研究方向：装备管理监造。

孙雪荣（1979-），女，硕士，高级工程师。研究方向：船舶结构强度分析及振动噪声。