首尾開槽類船體結(jié)構(gòu)的波浪外載荷研究

許慧洋孫雪榮

（1.海軍駐廣州四二七廠軍事代表室 廣州510715；2.中國船舶及海洋工程設(shè)計研究院 上海200011）

首尾開槽類船體結(jié)構(gòu)的波浪外載荷研究

許慧洋1孫雪榮2

（1.海軍駐廣州四二七廠軍事代表室 廣州510715；2.中國船舶及海洋工程設(shè)計研究院 上海200011）

文章從規(guī)范公式計算、三維線性勢流理論預(yù)報兩方面進(jìn)行了首尾端開槽的絞吸式挖泥船船體結(jié)構(gòu)波浪外載荷研究。三維線性勢流理論預(yù)報的波浪外載荷計算是基于實(shí)際模擬船體開槽區(qū)域的開敞式濕表面和將船體開槽區(qū)域定義為船體內(nèi)部液艙的兩種不同方式進(jìn)行?；诠こ淘O(shè)計的實(shí)際出發(fā)，論文旨在綜合探討適合于首尾端開槽的船體結(jié)構(gòu)波浪外載荷計算方式，并進(jìn)而解決首尾端開槽結(jié)構(gòu)的船型總強(qiáng)度設(shè)計載荷問題。

濕表面；波浪載荷；勢流理論；內(nèi)部液艙；總強(qiáng)度

引 言

對于大功率自航絞吸挖泥船，從總布置特點(diǎn)來看，在首尾船端設(shè)有大型重型設(shè)備鋼樁臺車和絞刀橋架，并在鋼樁臺車行程范圍內(nèi)設(shè)有較大的船體開孔，在絞刀橋架區(qū)域船體為開體結(jié)構(gòu)，三維典型示意圖見圖1。首尾端開槽區(qū)域的長度可達(dá)船長的40%以上，研究鋼樁臺車和絞刀橋架區(qū)的類月池開槽結(jié)構(gòu)對此類工程船的船體波浪載荷的影響至關(guān)重要。

月池類結(jié)構(gòu)屬于特種工程應(yīng)用船的特有結(jié)構(gòu)，因此，對波浪載荷的影響尤其是局部所在區(qū)域的水壓力影響相比一般船舶的主尺度影響顯得更為特殊，近年來對大量工程應(yīng)用船（如絞吸挖泥船、鉆井船類），為方便收放設(shè)備、潛水鐘或鋪設(shè)纜線、安裝立管等，越來越多的工程船在船體上布置垂向上貫穿船體，內(nèi)外海水相連，腔內(nèi)有自由液面的月池結(jié)構(gòu)［1］。通常，月池設(shè)置的目的是為提供一個相對穩(wěn)定的工作環(huán)境，使工程作業(yè)不受海上風(fēng)浪的干擾，但是當(dāng)有共振現(xiàn)象出現(xiàn)時，月池內(nèi)流體振蕩的幅度將達(dá)到來流干擾幅度的3～4倍，如果此時船體在航行狀態(tài)，共振現(xiàn)象將產(chǎn)生巨大的阻力，并且在月池內(nèi)流體大幅晃蕩的條件下，船體還將產(chǎn)生升沉或搖擺運(yùn)動，這都將對船體的正常工作帶來不利影響。

本文將絞吸挖泥船類這種首尾端開槽結(jié)構(gòu)稱為類月池結(jié)構(gòu)，以區(qū)別于目前常規(guī)意義上的工程月池結(jié)構(gòu)。首尾端船體開槽首先會干擾船體遭遇迎浪或斜浪時的波浪，與常規(guī)月池類結(jié)構(gòu)的船體波浪載荷有較大不同，目前對于首尾開槽類月池結(jié)構(gòu)對工程實(shí)際設(shè)計的理論和實(shí)驗(yàn)研究大多集中于對總體航行性能［3］的研究，鮮有對船體波浪載荷的具體影響研究。本文立足于工程實(shí)際設(shè)計，從規(guī)范設(shè)計出發(fā)，著眼于船體總強(qiáng)度［4-5］設(shè)計，研究首尾端船體開槽對船體波浪載荷的具體影響；目標(biāo)研究船尾部絞刀橋架區(qū)域開槽尺寸為29.4 m×8.0 m（長×寬），首部主鋼樁臺車開槽尺寸為23.1 m×6.6 m（長×寬），輔鋼樁開槽尺寸約3.3 m×2.7 m（長×寬），結(jié)構(gòu)計算船長為115.0 m，首尾端船體濕表面開槽尺寸占船體結(jié)構(gòu)計算船長的45.7%（未計入輔鋼樁開槽尺寸）。

1 波浪載荷直接計算

為立足目標(biāo)船工程實(shí)際，本文共考慮以下三種波浪載荷的計算值：

（1）濕表面1下的三維勢流理論預(yù)報。船體濕表面為實(shí)際開槽濕表面，并計入右前部輔鋼樁開槽區(qū)域（見圖2）。

（2）濕表面2下的三維勢流理論預(yù)報。船體濕表面為封閉濕表面，但首尾開槽區(qū)域模擬為內(nèi)部液艙，并配套同步更新各種裝載情況及穩(wěn)性計算書（見圖3）。

（3）規(guī)范公式計算?；诔Ｒ?guī)封閉船體濕表面，其中，濕表面1和濕表面2的波浪剪力和彎矩計算采用DNV船級社開發(fā)的SESAM/WADAM和SESAM/POSTRESP程序。該程序是基于三維繞輻射勢流理論，可完成海上結(jié)構(gòu)物的運(yùn)動響應(yīng)與波浪載荷預(yù)報，均選取目標(biāo)船航行狀態(tài)典型控制工況，采用長期預(yù)報方法。長期海況取為北大西洋波浪散布圖，長期預(yù)報的概率水平取為10-8，質(zhì)量模型以零質(zhì)量棒的形式加在船體重心所在水平面上，零質(zhì)量棒上兩端質(zhì)量點(diǎn)的間距為橫搖慣性半徑的兩倍。兩種不同濕表面下的波浪載荷傳遞函數(shù)示意圖見下頁圖4—圖5，相應(yīng)的波浪載荷沿船長分布的比較見下頁圖6；共計三種不同方法的波浪載荷最大值列表見下頁表1，其中，規(guī)范計算的詳細(xì)公式及說明，見參考文獻(xiàn)［2］。

表1 波浪載荷最大值列表

由以上計算結(jié)果可知：

（1）完全模擬首尾端開槽區(qū)域的船體濕表面1下預(yù)報得到的波浪載荷傳遞函數(shù)相對濕表面2下預(yù)報得到的波浪載荷傳遞函數(shù)，前者受到開槽區(qū)域的船體濕表面影響較為明顯，擾動較大；波浪剪力和彎矩傳遞函數(shù)均出現(xiàn)兩次較為明顯的峰值，波浪周期為6 s、9 s，濕表面2下的波浪剪力和彎矩傳遞函數(shù)均出現(xiàn)近乎單峰值，波浪周期約為9 s。

（2）由兩種濕表面模擬方法下的波浪載荷直接預(yù)報值沿船長分布的比較可知，首部開槽區(qū)域?qū)Υw波浪載荷的影響主要為波浪載荷的分布和極值大小影響，而尾部開槽區(qū)域?qū)Σɡ溯d荷的影響主要體現(xiàn)在波浪載荷極值大小的影響。

（3）濕表面1下的波浪載荷計算結(jié)果小于將首尾端開槽區(qū)域定義為內(nèi)部液艙的船體濕表面2下波浪載荷計算結(jié)果，其中，濕表面2相對濕表面1下的波浪剪力增加約5%，波浪彎矩增加約7%。

（4）濕表面1和濕表面2下三維理論預(yù)報得到的波浪剪力均比規(guī)范公式的計算值大30%以上，但波浪彎矩直接計算值與規(guī)范公式的計算值在整體量級上基本相當(dāng)。

2 波浪載荷非線性修正

從目前規(guī)范［2］設(shè)計而言，此類絞吸挖泥船因主尺度比并不符合規(guī)范的要求，均需進(jìn)行波浪載荷的直接計算?；谌S線性波浪理論計算得到的波浪載荷，需由規(guī)范按照以下要求進(jìn)行非線性修正。

2.1 中拱波浪彎矩MW（+）和中垂波浪彎矩MW（-）

式中：Cb為方形系數(shù)，計算取值應(yīng)不小于0.6。

2.2 中拱波浪剪力FW（+）和中垂波浪剪力FW（-）

雖然濕表面1和濕表面2下的波浪載荷直接計算值沿船長的分布呈現(xiàn)出較明顯的差異，但規(guī)范目前針對三維線性理論直接計算求得的波浪載荷明確規(guī)定需進(jìn)行非線性修正計算，而波浪載荷設(shè)計值的分布依舊沿用傳統(tǒng)的規(guī)范分布；所以基于波浪外載荷直接計算求得的最大值就成為目前規(guī)范規(guī)定下的波浪外載荷設(shè)計值具體確定的唯一決定因素。

從規(guī)范非線性修正而言，濕表面2相對濕表面1下的波浪剪力增加約5%，波浪彎矩增加約7%的影響就需引起設(shè)計人員的注意；而且，傳統(tǒng)月池類結(jié)構(gòu)的動載荷研究大多仍基于對“活塞”和“晃蕩”的局部范圍的運(yùn)動影響［1，6，7］；但絞吸挖泥船的首尾開槽結(jié)構(gòu)并非傳統(tǒng)的月池結(jié)構(gòu)，其單個開槽尺寸就已達(dá)到船體結(jié)構(gòu)計算船長的20%以上，首尾開槽尺寸總計達(dá)到結(jié)構(gòu)計算船長的45%以上，理論界對此類較大開槽尺寸的結(jié)構(gòu)局部運(yùn)動引起的船體總體波浪載荷現(xiàn)象深入研究幾乎空白，工程界設(shè)計目前的船模試驗(yàn)也僅限于對總體航行性能的影響；同時，為工程設(shè)計安全起見，目前的波浪載荷最終設(shè)計值一般取直接預(yù)報值和規(guī)范經(jīng)驗(yàn)公式計算值的較大者；因而建議實(shí)際工程設(shè)計中，目標(biāo)船對于尾部絞刀橋架開槽區(qū)域和首部鋼樁臺車區(qū)域的船體濕表面的開口結(jié)構(gòu)定性為內(nèi)部液艙，內(nèi)部液艙的液面與相應(yīng)計算狀態(tài)的舷外水液面保持一致，從內(nèi)部液艙的角度去研究船體總強(qiáng)度下的外載荷，進(jìn)而為船體總體結(jié)構(gòu)提供波浪載荷設(shè)計值基礎(chǔ)。

值得注意的是，本文是基于船體總強(qiáng)度設(shè)計下的波浪外載荷研究，目標(biāo)船對于尾部絞刀橋架開槽區(qū)域和首部鋼樁臺車區(qū)域的船體開口結(jié)構(gòu)的局部構(gòu)件尺寸核算和確定時，必須按照目前比較成熟的類月池結(jié)構(gòu)的“活塞”和“晃蕩”運(yùn)動影響下［1，6］，此類船體結(jié)構(gòu)的局部靜、動載荷進(jìn)行綜合核算，很有可能出現(xiàn)此類結(jié)構(gòu)的局部構(gòu)件尺寸設(shè)計以局部載荷為控制設(shè)計工況而非本文研究的船體總強(qiáng)度下波浪外載荷的現(xiàn)象。

3 結(jié) 論

根據(jù)上述研究可知，絞吸式挖泥船首尾開槽區(qū)域的開孔結(jié)構(gòu)對船體波浪外載荷的分布存在較明顯影響；基于總強(qiáng)度設(shè)計的絞吸式挖泥船波浪外載荷設(shè)計值的確定，建議在對首尾開槽區(qū)域定性為內(nèi)部液艙下的三維封閉水動力模型下進(jìn)行計算。本文通過針對目標(biāo)船的總強(qiáng)度下波浪外載荷研究，為實(shí)際絞吸式挖泥船的結(jié)構(gòu)設(shè)計波浪外載荷和總強(qiáng)度分析提供理論研究的基礎(chǔ)。

［1］康莊. 月池流噪聲及水動力特性的實(shí)驗(yàn)研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)， 2006.

［2］中國船級社.鋼質(zhì)海船入級規(guī)范［S］. 2015.

［3］曹雪. 內(nèi)河大型自航絞吸挖泥船的阻力性能研究［D］.上海：上海交通大學(xué)， 2013.

［4］王軍輝，夏利娟. 自航絞吸挖泥船全船結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和總振動特性評估［J］.船舶工程， 2013（4）：11-14，26.

［5］王軍輝. 自航絞吸挖泥船結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和動力響應(yīng)的分析與優(yōu)化［D］.上海：上海交通大學(xué)， 2013.

［6］趙尚輝，劉見華.船底月池流激振蕩特性研究［J］.上海造船， 2010（1）：35-38.

［7］周華偉.月池中流體活塞和晃蕩運(yùn)動的研究［D］.上海：上海交通大學(xué)，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

許慧洋（1979-），男，碩士，工程師。研究方向：裝備管理監(jiān)造。

孫雪榮（1979-），女，碩士，高級工程師。研究方向：船舶結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析及振動噪聲。