某大尺度新船型波浪载荷理论预报

肖 武王海洋

（1.海军装备部水面舰艇局 北京100841；2.中国船舶及海洋工程设计研究院 上海200011）

船舶结构

某大尺度新船型波浪载荷理论预报

肖 武1王海洋2

（1.海军装备部水面舰艇局 北京100841；2.中国船舶及海洋工程设计研究院 上海200011）

针对某大尺度新船型的船体线型特点，运用COMPASS-WALCS软件对其船体波浪线性、非线性载荷（包括砰击载荷）进行预报，并与BV船级社规范计算结果、船模试验结果进行对比分析，结果表明：非线性载荷预报有一定准确度，可以对实船设计起到指导作用。

大尺度；新船型；非线性；砰击载荷；船模试验

引 言

大型水面舰船和军辅船为兼顾高航速和大甲板面积，往往线型瘦削、首部外飘大，由于需满足相应使命的要求，没有固定航线，紧急任务时不能规避恶劣海况。本文研究的目标船为一种大尺度新船型。与普通军用舰船相比，其不仅排水量更大（约70 000 t）、船长更长（约300 m），而且其横剖面线型沿船长变化较大，首部外飘严重，导致船体所受的砰击载荷水平较高，波浪载荷的非线性特征也较明显。

对于常规船型，船级社规范中一般使用设计波法来确定在评估船体强度时所用的波浪载荷水平。这种方法主要使用基于频域线性计算方法计算波浪载荷的频率响应函数，结合谱分析法计算波浪载荷的设计值，这种方法无法计及航速、线型、砰击等波浪载荷非线性成份的综合影响。

目前已有较多专业软件可用来计算船体在波浪中的运动和载荷，这些软件大多都是基于水动力数值算法编写的，比如挪威船级社DNV的SESAM软件，该软件包含两套水动力数值求解器，分别是基于三维频域线性算法的Wadam模块和基于三维时域算法的Wasim模块。其中Wasim以Rankine源作为求解水动力问题的基础，包含线性和非线性的计算方法。另外，中国船级社和哈尔滨工程大学联合开发的COMPASS-WALCS-NE软件以三维势流理论和三维结构动力学为基础［1-3］，考虑船体瞬时湿表面的变化引起的非线性波浪力［4］、船体大幅运动时首尾受到的砰击上浪［5］等非线性载荷以及结构水弹性的影响，通过求解时域水弹性力学方程，获得船体非线性运动、剖面载荷的时历数据。

本文基于COMPASS-WALCS软件，分别使用其线性和非线性模块，对目标船进行船体波浪载荷预报，并与BV船级社规范值和试验结果进行对比分析，为该船型的结构设计提供参考。

1 基于COMPASS-WALCS的船体波浪载荷预报

1.1 水动力模型

船体湿表面的水动力网格模型如图1所示。

目标船的质量按各个站位的分布情况，施加在模型上。

1.2 线性波浪载荷计算

1.2.1 计算步骤

（1）波浪诱导运动及载荷传递函数计算；

（2）根据波浪诱导运动、 载荷传递函数和海浪谱 ，利用数理统计理论进行船体运动和波浪载荷的短期

（3）根据波浪诱导运动和载荷传递函数 ，海浪谱以及波浪散布图，计算确定概率水平下的船体运动和波浪载荷的长期预报值。

1.2.2 计算参数

航速：5 kn，18 kn；水深：无限水深；

浪向：0°～ 360°，步长15°；

波幅：单位波幅；

相位：0；

波浪频率：0.2 ～ 2.0 rad/s，步长0.05 rad/s；海浪谱：采用ISSC推荐的双参数PM谱；波浪散布图：采用IACS推荐的NO.34北大西洋海况；

计算横剖面：根据目标船的站位选取载荷计算的剖面，从船首至船尾共20个计算剖面。

1.2.3 船体波浪诱导运动及垂向波浪载荷的传递函数计算

短期海浪可视为均值为0的平稳正态随机过程，此时船体对波浪的响应，可看作是线性时不变系统。由随机过程理论可知，在海浪的作用下（输入），其响应—波浪载荷（输出）亦将是均值为0的平稳正态随机过程。本文运用COMPASSWALCS软件进行频率响应函数计算，在此仅列出纵摇运动频率响应曲线，结果见图2。

进行设计波载荷选取的时候，以垂向波浪弯矩作为设计载荷，故仅列出迎浪时船舯剖面垂向弯矩My的频率响应曲线，垂向弯矩响应幅值随着航速的增加而增加，迎浪是最关键的浪向，结果见图3。

1.2.4 长期预报

认为由各种不同海情、航行状态所组成的短期分布彼此相互独立，那么长期概率分布则是各短期概率分布的加权组合。在得到剖面载荷的频率响应函数后，根据概率论和数理统计原理对剖面载荷进行长期预报，取超越概率水平为10-8，结果见图4。

根据对比所用规范的载荷计算结果，选取与规范相同的分离因子，得到中拱和中垂设计载荷（参见表1）。

表1 线性长期预报值与规范值对比

将线性长期预报值与BV规范计算值对比，结果如表1所示。可以看出，两个航速下线性长期预报值均小于规范值，其中航速为18 kn时，线性预报值与规范值较为接近。

1.3 非线性波浪载荷计算

1.3.1 计算方法

在计算船体非线性波浪载荷时，用到的船体水动力网格与计算线性载荷时有所不同，考虑到自由液面及船体几何表面的非线性，此时水动力网格模型包含整个船体外板，求解原理简介如下：

非线性波浪载荷在时域里求解的运动方程为：

对于船体剖面载荷，由式（1）变形后解出主坐标；利用模态叠加原理，就可以得到船体结构的位移弯矩和剪切力其中m为各阶模态。

1.3.2 计算结果

采用时域算法进行非线性波浪载荷求解，取波长船长比为1.0，浪向为迎浪，分别取航速为5 kn，波高为8 m、12 m、14 m、17 m、20 m、21 m、24 m；航速为18 kn，波高为3 m、6 m、8 m、10 m、11 m、12 m、13 m、14 m；波高为8 m，航速为5 kn、8 kn、12 kn、15 kn、18 kn；波高为12 m，航速为5 kn、8 kn、12 kn、15 kn、18 kn。计算各波高、航速组合下的非线性波浪合成弯矩，分析高频和低频滤波，得到相应的低频波浪弯矩和高频砰击弯矩，结果如图5和图6所示。

可见，航速为5 kn时，波浪弯矩随波高的变化基本呈线性变化趋势。航速为18 kn、波高＜8 m时，波浪弯矩基本呈线性变化；波高＞8 m后，随着波高增加，波浪弯矩增加较显著，而砰击弯矩增加速度更快，大波高时甚至超过波浪弯矩。 波高8 m和12 m时的弯矩成分随航速变化如图7、图8所示。

可见，当波高为8 m时，中拱波浪载荷随航速变化基本呈线性变化，中垂波浪载荷在航速较低时亦呈线性变化；当航速较高时，波浪弯矩和砰击弯矩变化增大，非线性效应显现；当波高为12 m时，波浪弯矩随航速呈线性变化，而砰击弯矩在航速高于12 kn后变化明显，当航速为18 kn时，甚至超过波浪弯矩。这一切说明砰击弯矩受航速影响较大。

中拱中垂分离现象随着航速和波高增大也日益明显，分离因子亦相应放大。

2 船模试验

为验证波浪载荷理论计算结果，还开展了船模试验。船模缩尺比为1 ∶ 50，船体外壳采用玻璃钢材料，并配备沿船长分布的变截面龙骨梁，龙骨梁标定参见图9。

试验结果采用模型与实船的缩尺换算关系进行处理，将模型所测得的压力信号换算到实船，以航速18 kn为例，列出目标船在波长与船长比为1.0迎浪时各波高下的试验时历曲线（波浪弯矩由合成弯矩时历曲线低频滤波得到），参见图10。

可见，船体波浪载荷中不仅包含低频的波浪弯矩，而且还有高频的砰击弯矩存在，波高较小时，合成弯矩中波浪弯矩占主要比例，随着波高增大，砰击弯矩成分在合成弯矩中所占比例也相应增大。

3 试验结果对比分析

3.1 非线性方法时域解与试验结果对比

基于三维时域非线性水弹性理论，选取不同航速下目标船在迎浪典型工况下的时域解，并与模型试验结果进行比较，得出如图11—图16所示结果。图中的横坐标为时间（无因次），纵坐标为波浪合成弯矩（无因次）。

3.1.1 航速为5 kn、波长与船长比为1.0、迎浪

工况下的不同波高结果对比

3.1.2 实船航速为18 kn、波长与船长比为1.0迎浪工况下不同波高结果对比

从上述时域结果比较图可见：当波高较小、航速较低的情况下，目标船的非线性理论计算结果与模型试验结果吻合较好； 当波高较大、航速较高时，波浪载荷的非线性现象比较明显（理论计算结果与模型试验结果有些偏差）。

3.2 设计载荷对比

将BV规范载荷、线性预报载荷、非线性预报载荷和试验载荷进行对比分析，其中规范值与线性计算值没有考虑砰击载荷的影响，非线性理论计算与试验值中均包含砰击载荷。分别对比结果参见表2与图17。

表2 考虑砰击弯矩时的设计载荷对比

对非线性计算值与试验值进行滤波处理，分离出低频波浪弯矩与高频砰击弯矩，将其波浪弯矩值对比如下（参见表3和图18）。

表3 不考虑砰击弯矩时的设计载荷对比

由上述对比结果可见：由于规范值与线性计算值未考虑砰击载荷的影响，这与船体在波浪中航行时的情况有偏差，故其计算结果偏小，而非线性计算值考虑到砰击载荷的影响，与试验值较为吻合。

4 结 论

通过对目标船船体波浪线性和非线性载荷（包括砰击载荷）进行预报，并与BV规范的计算结果和船模试验结果进行对比分析，得到以下结论：

（1）该船船型特殊，外飘砰击明显，特别是当波高较大、航速较高时，砰击载荷水平更高，在合成弯矩中所占的比例也更大。

（2）随着航速和波高增大，中拱中垂分离的现象也愈发明显，此时分离因子也相应放大。

（3）由于未考虑砰击载荷的影响，线性预报误差很大，BV规范计算的结果与线性预报结果较接近，与非线性预报和试验结果相差较大，说明对此类新船型并不适用；因此采用非线性预报方法很有必要。

（4）与试验结果相比，非线性预报方法有一定精确度。本船在18 kn时，误差尚处于可接受范围，但随着航速进一步提高，误差也会进一步增大，此外，计算时水动力系数的选取则需根据船型、航速、海况等综合因素予以确定，对计算者的经验要求较高。

（5）设计载荷的非线性结果略大于试验值，可指导实船设计，结果较为安全。

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

［2］ 戴遗山，段文洋.船舶在波浪中运动的势流理论［M］.北京：国防工业出版社，2008：20-35．

［3］ 戴遗山. 舰船在波浪中运动的频域与时域势流理论［M］.北京：国防工业出版社， 1998.

［4］许晟 译，辛仲 校. 三维非线性波浪载荷和结构响应仿真技术在舰船设计中的应用［J］. 国外舰船工程，1998（3）：1-10.

［5］ 陶智祥，戴仰山.外张砰击载荷［J］.中国造船， 1991（4）：43-51.

Wave loads prediction of large scale new type ship

XIAO Wu1WANG Hai-yang2
(1. Surface ship bureau of the naval armaments department, Beijing 100841, China; 2. Marine Design & Research Institute of China, Shanghai 200011, China)

Considering the hull line characteristics of a new-type ship, the linear and non-linear wave loads, including the slamming loads, are predicted by the COMPASS-WALCS software. Then the calculation results are compared with the results calculated by the BV rules and the experimental results. It shows that the accuracy of the predicted nonlinear wave loads is fairly sufficient, which can be used to guide the ship design.

large scale; new ship type; nonlinear; slamming loads; ship model test

U661.4

A

1001-9855（2017）04-0039-08

10.19423 / j.cnki.31-1561 / u.2017.04.039

2017-05-10；

2017-06-27

肖 武（1990-），男，工程师。研究方向：舰船总体设计。

王海洋（1986-），男，硕士，工程师。研究方向：舰船结构设计。