首尾開槽類船體結構的波浪外載荷研究

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計研究院 上海200011）

首尾開槽類船體結構的波浪外載荷研究

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計研究院 上海200011）

文章從規范公式計算、三維線性勢流理論預報兩方面進行了首尾端開槽的絞吸式挖泥船船體結構波浪外載荷研究。三維線性勢流理論預報的波浪外載荷計算是基于實際模擬船體開槽區域的開敞式濕表面和將船體開槽區域定義為船體內部液艙的兩種不同方式進行。基于工程設計的實際出發，論文旨在綜合探討適合于首尾端開槽的船體結構波浪外載荷計算方式，并進而解決首尾端開槽結構的船型總強度設計載荷問題。

濕表面；波浪載荷；勢流理論；內部液艙；總強度

引 言

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

月池類結構屬于特種工程應用船的特有結構，因此，對波浪載荷的影響尤其是局部所在區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用船（如絞吸挖泥船、鉆井船類），為方便收放設備、潛水鐘或鋪設纜線、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，內外海水相連，腔內有自由液面的月池結構［1］。通常，月池設置的目的是為提供一個相對穩定的工作環境，使工程作業不受海上風浪的干擾，但是當有共振現象出現時，月池內流體振蕩的幅度將達到來流干擾幅度的3～4倍，如果此時船體在航行狀態，共振現象將產生巨大的阻力，并且在月池內流體大幅晃蕩的條件下，船體還將產生升沉或搖擺運動，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構稱為類月池結構，以區別于目前常規意義上的工程月池結構。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，與常規月池類結構的船體波浪載荷有較大不同，目前對于首尾開槽類月池結構對工程實際設計的理論和實驗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。本文立足于工程實際設計，從規范設計出發，著眼于船體總強度［4-5］設計，研究首尾端船體開槽對船體波浪載荷的具體影響；目標研究船尾部絞刀橋架區域開槽尺寸為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），結構計算船長為115.0 m，首尾端船體濕表面開槽尺寸占船體結構計算船長的45.7%（未計入輔鋼樁開槽尺寸）。

1 波浪載荷直接計算

為立足目標船工程實際，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報。船體濕表面為實際開槽濕表面，并計入右前部輔鋼樁開槽區域（見圖2）。

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

（3）規范公式計算。基于常規封閉船體濕表面，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，可完成海上結構物的運動響應與波浪載荷預報，均選取目標船航行狀態典型控制工況，采用長期預報方法。長期海況取為北大西洋波浪散布圖，長期預報的概率水平取為10-8，質量模型以零質量棒的形式加在船體重心所在水平面上，零質量棒上兩端質量點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示意圖見下頁圖4—圖5，相應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，規范計算的詳細公式及說明，見參考文獻［2］。

表1 波浪載荷最大值列表

由以上計算結果可知：

（1）完全模擬首尾端開槽區域的船體濕表面1下預報得到的波浪載荷傳遞函數相對濕表面2下預報得到的波浪載荷傳遞函數，前者受到開槽區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均出現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均出現近乎單峰值，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報值沿船長分布的比較可知，首部開槽區域對船體波浪載荷的影響主要為波浪載荷的分布和極值大小影響，而尾部開槽區域對波浪載荷的影響主要體現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果小于將首尾端開槽區域定義為內部液艙的船體濕表面2下波浪載荷計算結果，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下三維理論預報得到的波浪剪力均比規范公式的計算值大30%以上，但波浪彎矩直接計算值與規范公式的計算值在整體量級上基本相當。

2 波浪載荷非線性修正

從目前規范［2］設計而言，此類絞吸挖泥船因主尺度比并不符合規范的要求，均需進行波浪載荷的直接計算。基于三維線性波浪理論計算得到的波浪載荷，需由規范按照以下要求進行非線性修正。

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，計算取值應不小于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出較明顯的差異，但規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定需進行非線性修正計算，而波浪載荷設計值的分布依舊沿用傳統的規范分布；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范規定下的波浪外載荷設計值具體確定的唯一決定因素。

從規范非線性修正而言，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%的影響就需引起設計人員的注意；而且，傳統月池類結構的動載荷研究大多仍基于對“活塞”和“晃蕩”的局部范圍的運動影響［1，6，7］；但絞吸挖泥船的首尾開槽結構并非傳統的月池結構，其單個開槽尺寸就已達到船體結構計算船長的20%以上，首尾開槽尺寸總計達到結構計算船長的45%以上，理論界對此類較大開槽尺寸的結構局部運動引起的船體總體波浪載荷現象深入研究幾乎空白，工程界設計目前的船模試驗也僅限于對總體航行性能的影響；同時，為工程設計安全起見，目前的波浪載荷最終設計值一般取直接預報值和規范經驗公式計算值的較大者；因而建議實際工程設計中，目標船對于尾部絞刀橋架開槽區域和首部鋼樁臺車區域的船體濕表面的開口結構定性為內部液艙，內部液艙的液面與相應計算狀態的舷外水液面保持一致，從內部液艙的角度去研究船體總強度下的外載荷，進而為船體總體結構提供波浪載荷設計值基礎。

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

3 結 論

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

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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：裝備管理監造。

孫雪榮（1979-），女，碩士，高級工程師。研究方向：船舶結構強度分析及振動噪聲。