國際船舶波浪載荷研究最新動向

本刊記者 崔 燕

近年來，隨著船舶尺度不斷向大型化趨勢發(fā)展，一些與載荷相關(guān)的問題應(yīng)運而生。由船舶顫振和波激所引發(fā)的船舶損壞引起了IMO、IACS、船舶工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注。同時，IACS正在制定的HCSR（協(xié)調(diào)共同結(jié)構(gòu)規(guī)范）對原有CSR BC和OT的載荷要求進行了協(xié)調(diào)。協(xié)調(diào)后的規(guī)范對于船型開發(fā)提出了更高的要求。為促進國內(nèi)外載荷領(lǐng)域的專家、學(xué)者開展技術(shù)交流，2012年5月10日至11日，由哈爾濱工程大學(xué)、中國船級社（CCS）和法國船級社（BV）三家單位共同發(fā)起的“國際船舶波浪載荷及其應(yīng)用研究專題研討會”在哈爾濱工程大學(xué)舉行。中國船舶工業(yè)行業(yè)協(xié)會、哈爾濱工程大學(xué)、中國船級社、法國船級社的相關(guān)領(lǐng)導(dǎo)、專家及國內(nèi)主要船舶設(shè)計單位、船舶制造行業(yè)及研究所、各大院校主要技術(shù)負(fù)責(zé)人共六十余人參加了會議。本次會議搭建了一個高層次技術(shù)交流的平臺，來自國內(nèi)外波浪載荷、水動力分析等相關(guān)領(lǐng)域的著名專家和學(xué)者，就當(dāng)前國際波浪載荷技術(shù)研究的最新動向和研究進展，及業(yè)內(nèi)共同關(guān)心的熱點問題進行了深入的交流與探討。會議共進行了12篇論文的宣讀和交流，內(nèi)容囊括IACS最新的HCSR載荷內(nèi)容介紹、國際熱點的波激振動問題、新興的FLNG靠泊問題等一系列關(guān)鍵技術(shù)介紹。與會專家、學(xué)者對論文內(nèi)容表現(xiàn)出了濃厚的興趣，交流討論十分熱烈。會議促進了國內(nèi)外載荷領(lǐng)域?qū)＜业募夹g(shù)交流，增進了彼此的了解，收到了良好的預(yù)期效果。

HCSR將協(xié)調(diào)原CSR的載荷要求

波浪載荷對船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)物的結(jié)構(gòu)和安全來說，起著至關(guān)重要的作用，是船舶結(jié)構(gòu)規(guī)范的核心內(nèi)容和重要基礎(chǔ)。對于常規(guī)船舶，各船級社都有現(xiàn)成的經(jīng)驗公式用于預(yù)報船舶設(shè)計波浪載荷。但對于一些超大型、超尺度比船舶，傳統(tǒng)的經(jīng)驗公式變得不再適用。針對這類船舶的結(jié)構(gòu)評估計算，往往需要采用載荷直接計算的方法對作用在結(jié)構(gòu)上的載荷進行分析，并映射到結(jié)構(gòu)模型進行評估。

近年來，新規(guī)則、新規(guī)范不斷出臺，其中最典型代表的IMO目標(biāo)型標(biāo)準(zhǔn)（GBS）對船舶結(jié)構(gòu)規(guī)范要求的基礎(chǔ)和核心之一就是波浪載荷的研究。在國際金融危機和航運市場萎縮的大環(huán)境下，為了開拓市場、爭取訂單，新船型的開發(fā)無疑成為各船廠、設(shè)計單位最有力的競爭手段，而新船型的開發(fā)必須滿足日益嚴(yán)格的新規(guī)則、新規(guī)范的要求。

為滿足IMO GBS要求，IACS正在加緊制定和完善協(xié)調(diào)共同結(jié)構(gòu)規(guī)范（HCSR）。HCSR 將采用三維線性波浪載荷理論，對原有CSR BC和OT的載荷要求進行協(xié)調(diào)。按照IACS的時間表，2012年7月1日，HCSR第一版將正式對外發(fā)布。及早了解HCSR波浪載荷部分的要求對于工業(yè)界盡快掌握HCSR并應(yīng)用于原有CSR船型的評估和滿足HCSR要求的新船型開發(fā)具有重要的現(xiàn)實意義。

據(jù)BV陳曉波博士（IACS HPT01載荷協(xié)調(diào)組組長）介紹，HCSR載荷部分的研究是在CSR油船和散貨船要求的基礎(chǔ)上，分別在涉及載荷計算的運動和加速度要求、船體梁載荷要求、載荷工況要求、外部載荷要求，以及內(nèi)部載荷要求等方面進行協(xié)調(diào)。協(xié)調(diào)之后的HCSR在工況表達上將更為清晰，更能滿足需求。目前，對于是否完全符合GBS的要求，陳曉波博士表示差距分析的工作還在HPT01內(nèi)部進行之中。

波激振動及其疲勞損傷

船體結(jié)構(gòu)波激振動的研究是業(yè)界最前沿的研究課題之一。進入21世紀(jì)以來，民用船舶的大型化發(fā)展趨勢愈發(fā)明顯。隨著船舶主尺度的增加，波激振動和顫振引發(fā)的船舶損壞開始逐漸引起人們的重視，對波激振動和顫振現(xiàn)象開展研究的重要性也不斷提升。船舶在海上航行時船體梁的波激振動響應(yīng)會使船體結(jié)構(gòu)遭受到持續(xù)的疲勞載荷的作用，導(dǎo)致船舶在營運階段產(chǎn)生嚴(yán)重的疲勞破壞，一方面增加船東的維修成本，另一方面也增加了安全隱患。

中船重工第七○二所在該領(lǐng)域的研究處于國內(nèi)領(lǐng)先地位。據(jù)該所汪雪良高級工程師介紹，近年來，中船重工第七○二所在船舶波激振動及其疲勞損傷領(lǐng)域開展了深入的系統(tǒng)模型試驗和理論研究，研究對象包括30萬噸級超大型油輪、50萬噸級超大型礦砂船和15.68萬方的大型LNG船。根據(jù)介紹，中船重工第七○二所采用三維水彈性理論對波激振動進行了理論預(yù)報，并采用模型試驗方法對波激振動現(xiàn)象進行深入的分析，研究了船舶線型、結(jié)構(gòu)阻尼、結(jié)構(gòu)剛度、裝載狀態(tài)等因素對波激振動的影響，對大型船舶由波激振動引起的結(jié)構(gòu)疲勞損傷進行了分析評估。結(jié)合波激動振動對結(jié)構(gòu)疲勞損傷的影響分析，中船重工第七○二所的研究人員提出了船體結(jié)構(gòu)疲勞載荷設(shè)計計算修正公式，引起了與會專家的廣泛關(guān)注和熱烈討論。

船體振動響應(yīng)的三維水彈性分析

船舶在海上航行時，會產(chǎn)生不同程度的振動，無論是船體總振動還是上層建筑局部振動，都能引起船體結(jié)構(gòu)和設(shè)備部件的疲勞損壞，同時影響人員舒適程度。因此，船舶振動越來越受到船舶設(shè)計、建造方和船東的重視。中國船級社（CCS）田超博士介紹了基于三維水彈性理論的LNG船波激振動的研究情況。以一艘大型LNG船為計算對象，進行了船體自由振動和在螺旋槳激勵下的受迫振動響應(yīng)計算，得出了船體梁總振動固有頻率以及船體尾部和上層建筑的振動響應(yīng)。初步計算結(jié)果表明，對于船體梁總振動固有頻率，經(jīng)驗公式估計方法結(jié)果偏大，而采用傳統(tǒng)切片理論回歸公式來估算附連水質(zhì)量得到的結(jié)果略偏??；對螺旋槳激勵下的船體結(jié)構(gòu)受迫振動響應(yīng)，預(yù)報的與實測結(jié)果較為吻合；研究結(jié)果表明，三維水彈性力學(xué)方法可以用于船舶設(shè)計階段對船體振動響應(yīng)特性的預(yù)報，能夠得到較為合理可靠的結(jié)果。

由于船舶振動問題涉及船體及周圍流場的相互作用，且上層建筑涉及大量局部模態(tài)，其振動響應(yīng)預(yù)報顯得尤為復(fù)雜，水彈性理論的振動預(yù)報應(yīng)用方面只做了初步的探索，得到了一些有益的特性預(yù)報及對結(jié)構(gòu)減振改進方案的評估，具有一定的工程實用價值。