江海聯運船舶艏部砰擊性能研究

邵珠峰，張吉萍，謝永和

（浙江海洋大學船舶與機電工程學院，浙江舟山 316022）

江海聯運船舶艏部砰擊性能研究

邵珠峰，張吉萍，謝永和

（浙江海洋大學船舶與機電工程學院，浙江舟山 316022）

考慮江海聯運船舶大外飄、小型深的結構特征，研究了江海聯運船舶艏部結構在砰擊載荷作用下的力學性能。闡述了船舶砰擊理論，將船舶艏部結構遭遇的砰擊載荷分解成入水沖擊壓力、撞擊沖擊壓力以及甲板上浪載荷。針對江海聯運的45 000 DWT散貨船進行砰擊的數值模擬，計算載荷包括不同航速下的舷外靜水壓力、艏外飄砰擊壓力以及甲板上浪。結果顯示應力和變形受砰擊載荷影響很大，很有必要對艏外飄結構進行相應的結構加強以及疲勞強度評估。

江海聯運船舶；艏部結構；砰擊載荷；甲板上浪

船舶在惡劣海況中航行時，由于船波之間的劇烈相對運動，船體將頻繁遭遇波浪砰擊[1-2]，局部結構可能會產生嚴重變形，導致結構產生極端應力和疲勞損傷，嚴重時可能影響船舶在海上航行的安全性。船艏部位[3-4]是砰擊現象的多發區域，砰擊載荷作用時間短、幅值大，因而對結構的破壞作用非常大。船舶艏部砰擊問題包括艏底砰擊，艏外飄砰擊[5]以及甲板上浪[6]。船舶因為縱搖和升沉運動使底部露出波面，在底部重新進入波浪中時將發生底部砰擊。船舶的艏外飄與來波相撞擊時將發生艏外飄沖擊。與艏底砰擊相似，艏外飄砰擊會產生巨大的水動力并引發高頻振動，而且艏外飄沖擊作用時間更長，巨大的水動力砰擊載荷覆蓋整個艏部結構。甲板上浪則是當船舶穿行至入射波系的水面以下、水波破碎并沖到船舶甲板上形成甲板上浪，所產生的壓力可以破壞甲板及其上部結構。

與常規的散貨船相比，因為具有大外飄、小型深的結構特征，更有必要對江海聯運船舶進行砰擊載荷作用下的力學性能研究。論文針對45 000 DWT江海聯運散貨船進行了艏部結構的抗砰擊性能研究，并基于數值模擬結果提出了結構設計建議。

1 江海通達船

45 000 DWT散貨船是一艘典型的江海聯運船舶，主要運載煤、谷物以及鐵礦石。船長192.0 m，船寬32.26 m，型深15.4 m，設計吃水10.5 m，方形系數0.852 1，長寬比為5.95，寬深比為2.09。船舶結構依據《鋼質海船入級建造規范》設計，共有五個貨艙，四個橫艙壁結構。為了進行抗砰擊力學性能研究，建立艏部結構的有限元模型，并在艏部中縱剖面進行剛性約束，結構模型如圖1所示。

圖1 船艏結構有限元模型Fig.1 Finite Element Model of Bow Structure

2 砰擊載荷

1929年，VON-KARMAN[7]最早將二維楔形剛體水動力沖擊問題進行簡化處理，認為沖擊過程是在極短時間內發生，忽略流場速度平方的二階小量，將自表面的邊界條件作線性化處理。WAGNER[8]發展了VON-KARMAN的理論，考慮沖擊體上自由表面處存在排擠水對浸濕半寬的影響，改善了壓力量值及其分布的求解結果。之后的理論分析和模型試驗研究都證實：砰擊壓力峰值與船波相對速度的平方呈正比，其比例系數主要取決于結構物觸水沖擊表面處的斜傾角，同時與結構剛性、水的可壓縮性以及氣墊效應等因素影響有關。

船體艏部結構的砰擊載荷一般包括底部砰擊、外飄砰擊以及甲板上浪三部分。江海通達船舶的吃水較小，艏外飄結構的砰擊問題較底部砰擊更具研究意義，因此在江海通達船舶的艏部砰擊性能研究中只考慮外飄砰擊以及甲板上浪載荷的作用。外飄砰擊載荷則分解成入水沖擊壓力與撞擊沖擊壓力，其中入水沖擊壓力與沖擊表面與波浪在水面法向的相對速度分量相關，撞擊沖擊壓力與沖擊表面與水質點在水面切向的相對速度分量相關。

2.1 入水沖擊壓力

STAVOVY和CHUANG[9]根據WAGNER楔形體沖擊理論、椎體沖擊理論以及NSRDC試驗結果，給出了計算快速船底部砰擊壓力的方法。考慮到水平速度對入水沖擊速度的影響，將該方法應用于外張入水沖擊壓力的確定，其中入水沖擊速度根據船體速度和波面速度在水面的法相分量求得。作用于沖擊表面的最大入水沖擊壓力表示為

式中，V為入水沖擊速度，系數Kw由下面公式計算得到：

式中：ξ為波浪與船體表面的接觸角。2.2 撞擊沖擊壓力

當船在惡劣海況中航行時，艏部波面與船的相對運動引起的水面隆起迭加而使波面變得陡峭，導致波質點以很高的速度撞擊艏外張表面。水流沖擊直墻的研究表明，該壓力對應由波質點撞擊船體引起的沖擊壓力，正比于水流速度的平方，而水流速度對應于沖擊表面與水質點在波面切向的速度分量。考慮到非線性墻的修正，水質點撞擊沖擊壓力可表示為

式中：V為水面切向的相對速度，ξ為船舶接觸角。

水面切向的相對速度由下式計算得到：

式中：Vh、Vv分別為沖擊點處船體的水平速度和垂直速度；

Vhw、Vvw分別為水面處波質點的水平速度和垂直速度；

α為沖擊點處的水線角，假設水線角不隨船舶縱搖而變化；

δ′為垂直法平面內的有效波傾角，δ′=δ cos(90-α)，δ為原始波傾角。

2.3 甲板上浪

船舶甲板上浪的海水流動是高度非線性物理現象，與之相關的水位、流量等物理現象很難精確估算。目前國際上比較認可的甲板上浪模型試驗是由BUCHNER在挪威的MARINTEK水池所做的針對FPSO的上浪試驗[4]，分別研究了船體與波浪之間的非線性相對運動，海水涌上甲板過程的物理機制等。試驗表明，上浪水沖擊上甲板時的流動與潰壩模型非常相似，船艏形狀以及外飄角的大小對甲板上浪水的流動有著較大的影響，隨著艏外飄角的增大，水流速度也隨之增大，但水層高度則隨著外飄角的增大而減小。在一定范圍內，甲板上浪水層的高度H與船體艏柱的干舷超出量h0之間存在著線性的關系，水流沖上甲板時的速度則與干舷超出量的平方根成正比，即存在如下關系：

另外，上浪過程中，甲板上層建筑所受的沖擊載荷與上浪的水層高度以及水流上浪的速度存在著如下的關系式：

因此，上浪載荷與干舷超出量h0的平方成正比。

3 江海聯運船舶砰擊研究

3.1 砰擊載荷

3.1.1 艏外飄砰擊荷載

計算參數取值：海水的密度取1 025 kg/m3，壓力比例系數Kr取4，船波接觸角ξ取34°。

3.1.2 甲板上浪載荷

計算參數取值：干舷超出量h0取15 m，系數aH取0.8。

3.1.3 計算工況

計算中，考慮舷外靜水壓力、艏外飄砰擊壓力和甲板上浪的影響，考慮航速對來流沖擊速度以及甲板上浪水柱的影響，同時也考慮不同波浪參數的影響，但不考慮船首結構內的雜物壓力。具體計算工況見表1。

3.2 砰擊數值模擬

艏部砰擊計算結果見表2，第8計算工況的應力位移分布如圖2～5所示。

表1 計算工況Tab.1 Load cases

表2 各工況計算結果匯總Tab.2 Simulation results of all load cases

圖2 船艏結構應力分布Fig.2 Stress of Bow Structure

圖3 船艏內部結構應力分布Fig.3 Stress of Inner Structure

圖4 船艏結構變形分布Fig.4 Displacement of Bow Structure

圖5 內部結構變形分布Fig.5 Displacement of Inner Structure

通過對江海聯運散貨船艏部砰擊計算研究，可以得出如下結論：

（1）艏外飄砰擊載荷和甲板上浪載荷對艏部受砰擊區域的結構變形以及板架結構應力影響顯著，在砰擊載荷作用下，結構應力超出了材料塑性破壞的屈服極限；

（2）波浪參數對船體艏部結構強度具有重要影響，隨著航速及波高的增加，結構的應力和變形顯著增加，尤其艏外飄區域的外板結構以及板架結構。

4 結論

針對江海聯運散貨船的艏部結構設計提出如下建議：依據規范結構設計之外，需要依據砰擊數值模擬進行艏部結構加強，同時也有必要針對砰擊作用的高應力結構區域進行疲勞強度評估：考慮到江海通達船舶的外飄較大、型深較小的結構特性，在進行船舶性能設計應該關注航速及作業海況對結構的破壞影響；砰擊載荷作用體現了很強的局部現象，因此在規范考慮因砰擊載荷引起附加彎矩之外更需要將船舶艏部結構的砰擊現象作為局部強度問題進行研究。

[1]PEDERSEN P T.Review and application of ship collision and grounding analysis procedures[J].Marine Structures,2010,23(3): 241-262.

[2]CHO S R,LEE H S.Experimental and analytical investigations on the response of stiffened plates subjected to lateral collisions [J].Marine Structures,2009,22(1):84-95.

[3]許國冬.流體與結構砰擊的相似解與時域分析[D].哈爾濱:哈爾濱工程大學,2010.

[4]王 輝.船體結構局部強度設計中的砰擊載荷確定方法[J].中國造船,2010,51(2):68-77.

[5]耿彥超,虞 昊,胡嘉駿,等.江海直達船波激與砰擊載荷的模型試驗研究[J].船舶力學,2014,18(6):635-643.

[6]王瑞鋒.船舶甲板上浪機理及其試驗研究[D].哈爾濱:哈爾濱工程大學,2011.

[7]VON KARMAN T.The Impact on Seaplane Float during Landing[R].US:National Advisory Committee for Aeronautics,1929.

[8]WAGNER H.Landing of Sea Planes[R].US:National Advisory Committee for Aeronautics,1931.

[9]STAVOVY A B,CHUANG S L.Analytical Determination of Slamming Pressure for High-speed Vehicles in Waves[J].Journal of Ship Research,1976,20(4):190-198.

Slamming-Resistant Performance Research on Bow Structure for River-sea Ship

SHAO Zhu-feng,ZHANG Ji-ping,XIE Yong-he
(School of Naval Architecture and Mechanical-electrical Engineering of Zhejiang Ocean University,Zhoushan 316022,China)

Bow structure strength of river-sea ship is researched under slamming load thinking about the characteristic of larger bow flare and smaller molded depth.Slamming theory are discussed,and slamming load on bow structure are resolved into water enter impact pressure,collision impact pressure and green water impact pressure.Then,slamming-resistant performance of bow structure for 45 000 DWT river-sea ship is simulated under hydrostatic pressure and slamming load with different velocities.Results show that deformation and stress are influenced greatly by slamming load,and it is necessary to focus on structure strengthening and fatigue strength assessment for flare structure.

river-sea ship;bow structure;slamming load;green water

U661.4

A

1008－830X(2016)05－0436－05

2016-08-01

浙江省自然科學基金（LY14E090002）；國家自然科學基金（51409232）

邵珠峰（1991-），男，山東濱州人，碩士研究生，研究方向：船舶與海洋結構物設計制造.E-mail:1049336760@qq.com

張吉萍.E-mail:zhangjiping@zjou.edu.cn