基于三維水動力方法的三體船連接橋波浪載荷計算分析

趙春慧

（浙江海洋學院船舶與海洋工程學院，浙江舟山　316022）

基于三維水動力方法的三體船連接橋波浪載荷計算分析

趙春慧

（浙江海洋學院船舶與海洋工程學院，浙江舟山316022）

文章應用三維水動力分析方法進行三體船連接橋波浪誘導載荷的研究工作，建立三體船水動力分析面元模型，計算三體船在迎浪狀態下零航速和中低航速運動響應，并與三體船拖曳水池模型試驗結果進行對比，證明了此計算方法的可行性。通過計算，探討了三體船連接橋波浪載荷隨航速和浪向的變化規律及特點，并對連接橋的波浪誘導載荷量級進行了一定的分析，計算結果對于提高三體船耐波性能和加強三體船的強度校核有重要的參考價值。

三體船；三維水動力計算；連接橋；波浪載荷

近年來，三體排水型高性能船舶的研究引起人們的較大關注。三體船的結構設計的規范尚不成熟，基于波浪載荷預報的直接計算方法是一種合理設計三體船結構的方法。

由于世界上已建成的三體船極少，作為新船型，三體船的結構設計尚未成熟。在水動力性能和耐波性方面人們已經展開了許多研究。在作用于船舶上的所有基本載荷中，船體表面波動壓力和波浪誘導的剖面剪力彎矩是在強度計算中要求取的最重要的外載荷。此外，三體船舶連接橋結構的波浪載荷可以引起連接橋甲板結構變形和疲勞問題，為了合理的對甲板橋結構進行設計，有必要對其遭遇的波浪載荷進行預報。因此，研究三體船波浪載荷并對其進行預報顯得很有意義。

本文擬展開基于三維水動力方法進行水動力求解，在無限水深條件下，在頻域內計算船舶在規則波中的水動力、運動響應及波浪載荷的研究工作。了解三體船波浪載荷響應函數和分布規律特點，為后續三體船性能預報提供依據。

1　計算模型的建立和濕表面網格的生成

1.1三體船模型建立

本文通過Fluent Gambit軟件與AutoCAD軟件的結合，利用兩個通用軟件幾何圖形處理的優勢，可以直觀地在型線圖基礎上生成模型并劃分網格而不需要對型值進行直接處理，并且能夠在圖形界面上控制網格的屬性，可以滿足三維水動力計算的需要。

整船濕表面網格共有1 482個節點，1 440個單元。本文選取船型FA-1-A，主體與側體位置如圖所示：

圖1　FA-1-A的主體和側體的位置關系Fig.1　The position relations of FA-1-A between the main and side body

圖2　三體船水線以下網格俯視圖Fig.2　Vertical view of grid underwater

表1　船模主體和側體主尺度Tab.1　Principal particulars of the trimaran

1.2船體濕表面網格劃分

面元法僅對水線面以下部分進行計算，所以本文只需建立三體船水線以下部分模型并劃分網格。但水下部分仍然視為一個剛體，從而按三體船模型整體進行水動力計算，這樣保證了與實船的計算結果相符。

在本文中，對完整的三體船的主題和兩個側體劃分了水動力網格。整個水動力面元的網格數目是1 442塊。其中主體劃分了966塊，每個側體劃分了288塊。

圖3　三體船網格可視化Fig.3　Grid visualization of the trimaran

2　運動理論預報結果同試驗結果的比較

基于三維勢流理論，首先對三體船的六個自由度的運動進行了計算。將得到的垂蕩和縱搖結果與試驗結果進行了比較，以驗證方法的適用性。模型試驗所選取的船型為FA-1-A，拖曳水池模型試驗航速選取傅汝德數Fn=0.2、0.35、0.5、0.667。

圖4～11是三體船模FA-1-A在迎浪中的垂蕩和縱搖幅值運動響應三維理論與模型試驗結果的對比。從上面的比較結果可知，在中低航速下，三維勢流理論方法能夠有效的預報三體船在波浪中的運動響應，但在高速下，垂蕩和縱搖理論預報結果中出現了峰值振蕩現象，這是水動力計算中的“偽共振”現象造成的。

圖4　垂蕩幅值響應（Fn=0.2，β=180°）Fig.4　Heave amplitude（Fn=0.2，β=180°）

圖5　縱搖幅值響應（Fn=0.2，β=180°）Fig.5　Pitch angle（Fn=0.2，β=180°）

圖6　垂蕩幅值響應（Fn=0.35，β=180°）Fig.6　Heave amplitude（Fn=0.35，β=180°）

圖7　縱搖幅值響應（Fn=0.35，β=180°）Fig.7　Pitch angle（Fn=0.35，β=180°）

圖8　垂蕩幅值響應（Fn=0.5，β=180°）Fig.8　Heave amplitude（Fn=0.5，β=180°）

圖9　縱搖幅值響應（Fn=0.5，β=180°）Fig.9　Pitch angle（Fn=0.5，β=180°）

圖10　垂蕩幅值響應（Fn=0.667，β=180°）Fig.10　Heave amplitude（Fn=0.667，β=180°）

圖11　縱搖幅值響應（Fn=0.667，β=180°）Fig.11　Pitch angle（Fn=0.667，β=180°）

3　三體船連接橋波浪載荷計算

計算中，選取連接橋中點處剖面作為參考，進行計算得到了剖面的縱搖彎矩、垂向彎矩、橫向擠壓力和垂向剪力。計算的航速選取為傅汝德數Fn=0，0.2，0.35，浪向角分別為30°、60°、90°、120°、150°、180°。以下圖12～46為各彎矩、剪力隨浪向和航速的變化情況。

圖12　三體船連接橋縱搖彎矩My（Fn=0）Fig.12　Pitch moment My（Fn=0）

圖13　三體船連接橋縱搖彎矩My（Fn=0.2）Fig.13　Pitch moment My（Fn= 0.2）

圖14　三體船連接橋縱搖彎矩My （Fn=0.35）Fig.14　Pitch moment My（Fn=0.35）

圖15　三體船連接橋垂向彎矩Mx （Fn=0）Fig.15　Vertical moment My（Fn=0）

圖16　三體船連接橋垂向彎矩Mx（Fn=0.2）Fig.16　Vertical moment My（Fn=0.2）

圖17　三體船連接橋垂向彎矩Mx （Fn=0.35）Fig.17　Vertical moment My（Fn=0.35）

圖18　三體船連接橋橫向擠壓力Fy（Fn=0）Fig.18　Lateral extrusion pressure Fy（Fn=0）

圖19　三體船連接橋橫向擠壓力Fy（Fn=0.2）Fig.19　Lateral extrusion pressure Fy（Fn=0.2）

圖20　三體船連接橋橫向擠壓力Fy（Fn==0.35）Fig.20　Lateral extrusion pressure Fy（Fn==0.35）

圖21　三體船連接橋垂向剪力Fz （Fn=0）Fig.21　Vertical shear Fz（Fn=0）

圖22　三體船連接橋垂向剪力Fz（Fn=0.2）Fig.22　Vertical shear Fz（Fn=0.2）

圖23　三體船連接橋垂向剪力Fz （Fn=0.35）Fig.23　Vertical shear Fz（Fn=0.35）

3.1浪向對連接橋波浪載荷的影響

通過計算結果可知，對于縱搖彎矩，在零航速時，60°和120°時有較大的峰值。在有航速時，120°～180°浪向下的幅值相對零航速有較大的增加，特別是在120°情況下，存在一個很大的峰值。

垂向彎矩的規律同縱搖彎矩，在有航速的情況下，120°～180°浪向下幅值相對零航速有較大增加，特別是在120°的情況下，存在一個很大的峰值。

對于連接橋間的橫向擠壓力，在零航速時，60°和120°時有較大的峰值。在有航速時，120°和150°浪向下的幅值相對零航速增加很多，特別是在120°情況下，存在一個很大的峰值。

對于連接橋垂向剪力，在零航速時，60°和120°對應有較大的峰值。在有航速時，120°～180°浪向下的幅值相對零航速有較大增加，特別是在120°情況下，存在一個很大的峰值。120°和150°時對應的載荷峰值和零航速相比發生了較大的變化。

圖24　三體船連接橋垂向剪力Fz （β=30°）Fig.24　Vertical shear Fz（β=30°）

圖25　三體船連接橋垂向剪力Fz （β=60°）Fig.25　Vertical shear Fz（β=60°）

圖26　三體船連接橋垂向剪力Fz（β=90°）Fig.26　Vertical shear Fz（β=90°）

圖27　三體船連接橋垂向剪力Fz （β=120°）Fig.27　Vertical shear Fz（β=120°）

圖28　三體船連接橋垂向剪力Fz （β=150°）Fig.28　Vertical shear Fz（β=150°）

圖29　三體船連接橋垂向剪力Fz （β=180°）Fig.29　Vertical shear Fz（β=180°）

圖30　三體船連接橋縱搖彎矩My （β=30°）Fig.30　Pitch moment My（β=30°）

圖31　三體船連接橋縱搖彎矩My （β=60°）Fig.31　Pitch moment My（β=60°）

圖32　三體船連接橋縱搖彎矩My（β=90°）Fig.32　Pitch moment My（β=90°）

圖33　三體船連接橋縱搖彎矩My（β=120°）Fig.33　Pitch moment My（β=90°）

圖34　三體船連接橋縱搖彎矩My （β=150°）Fig.34　Pitch moment My（β=150°）

圖35　三體船連接橋縱搖彎矩My（β=180°）Fig.35　Pitch moment My（β=180°）

圖36　三體船連接橋垂向彎矩Mx（β=30°）Fig.36　Vertical shear Mx（β=30°）

圖37　三體船連接橋垂向彎矩Mx（β=60°）Fig.37　Vertical shear Mx（β=60°）

圖38　三體船連接橋垂向彎矩Mx（β=90°）Fig.38　Vertical shear Mx（β=90°）

圖39　三體船連接橋垂向彎矩Mx （β=120°）Fig.39　Vertical shear Mx（β=120°）

圖40　三體船連接橋垂向彎矩Mx （β=150°）Fig.40　Vertical shear Mx（β=150°）

圖41　三體船連接橋垂向彎矩Mx （β=180°）Fig.41　Vertical shear Mx（β=180°）

圖42　三體船連接橋橫向擠壓力Fy（β=30°）Fig.42　Lateral extrusion pressure Fy（β=30°）

圖43　三體船連接橋橫向擠壓力Fy（β=60°）Fig.43　Lateral extrusion pressure Fy（β=60°）

圖44　三體船連接橋橫向擠壓力Fy（β=90°）Fig.44　Lateral extrusion pressure Fy（β=90°）

圖45　三體船連接橋橫向擠壓力Fy（β=120°）Fig.45　Lateral extrusion pressure Fy（β=120°）

圖46　三體船連接橋橫向擠壓力Fy（β=150°）Fig.46　Lateral extrusion pressure Fy（β=150°）

圖47　三體船連接橋橫向擠壓力Fy（β=1800）Fig.47　Lateral extrusion pressure Fy（β=1800）

3.2航速對連接橋波浪載荷的影響

在90°（橫浪）時，剪力和彎矩的幅值都不隨航速的改變而變化。在0°～90°之間，剪力和彎矩的幅值都隨著航速的增大而減小。在90°～180°之間，剪力和彎矩的幅值都隨著航速的增大而增大。

航速較高時，運動響應中垂蕩和橫搖響應函數在為（0.4～0.8）之間，浪向角為120°和150°時較易出現峰值，對應的連接橋波浪載荷在這個區域內也發生這樣的情況，這也說明由于運動出現的“偽共振”現象引起波浪載荷預報的不準確性。

在斜浪時，三體船連接橋載荷的變化較大，所以在船舶強度校核時，應充分考慮斜浪航行狀態下剪力與彎矩的數量級。隨航速的增加載荷變化很大，數量級變化也是很大的。所以考慮連接橋的載荷分布情況和數量級對船舶總強度的校核有重要的意義。

4　結語

本文建立了三體船模型，并劃分了有利于應用于三維水動力計算的網格。通過計算可知三維勢流理論能夠有效的預報三體船在波浪中的運動響應，但在高速下，預報結果中存在峰值振蕩現象，這是水動力計算中的“偽共振”造成的。應用這種方法來處理目前的多體高速船水動力計算，高航速下多體間水動力干擾效應沒有考慮有航速下自由面波浪的三維波型效應，造成了片體間振蕩興波的堵塞和干擾，產生水動力計算的虛假共振。水動力計算上的偽共振對最終的運動響應結果產生了影響，因此造成了目前在基于三維的水動力計算的結果中出現了多峰振蕩的現象。且三維勢流理論的偽共振均隨著航速的增大，峰值變大，峰值位置向低頻移動。本文的計算結果對于提高三體船耐波性能和加強三體船的強度校核有重要的參考價值。

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Research on Wave Loads of the Trimaran Cross Structure based on Three Dimensional Hydrodynamic Analysis

ZHAO Chun-hui
（School of Naval Architecture and Ocean Engineering，Zhejiang Ocean University，Zhoushan316022，China）

The research work of using three-dimensional hydrodynamic analysis to solve the wave load of trimaran cross structure is present in this paper.Establish the trimaran hydrodynamic analysis surface model and compute the motion response of the trimaran in head seas at zero speed and low-speed，and compared with the towing model test results to prove the feasibility of the calculation method.By calculation，discusses the variation and characteristics ofwave load on trimaran cross structure with speed and wave，and the cross structure wave loads order is also take into account，the results achieve for improving the trimaran seakeeping performance and strength check has an important reference value.

trimaran；three-dimensional hydrodynamic；cross structure；wave loads

TM619

A

1008-830X（2015）02-0151-07

2015-01-20

浙江省自然科學基金項目（LY14E090003）

趙春慧（1986-），女，浙江舟山人，助理實驗師，碩士，研究方向：船舶耐波性.E-mail:13715657@qq.com