SWATH船穩定鰭設計載荷預報與結構響應分析

王凡超 王慧彩 伍友軍

(中國船舶及海洋工程設計研究院 上海 200001)

0 引 言

為了確保小水線面雙體船(SWATH)[1]的縱向運動穩定性，大多數SWATH船通過安裝穩定鰭來保證其縱向運動的穩定性，穩定鰭是保證船體以正常浮態航行和改善船體運動性能的關鍵設備.在穩定鰭的研究方面，國內外學者公開發表的文章中的研究工作主要集中在水動力特性分析[2-6]以及鰭對船舶運動性能的影響方面，而對于穩定鰭本身和鰭所在區域局部結構的安全性及可靠性的研究卻少有涉及，并且現有規范中也沒有涉及穩定鰭結構強度的規定.鰭在海水中的承受的載荷較為復雜，除了鰭本身傳遞的載荷外還要受到波浪水動壓力及船體運動引起的慣性載荷等[7]，以往穩定鰭的載荷通常是根據設備商提供的經驗公式計算得到，沒有考慮鰭與船體運動的相互影響，給結構設計帶來風險，因此，有必要探討較為準確的鰭載荷計算方法，計算穩定鰭壓力分布并通過加載到鰭葉上，進而對穩定鰭和其加強結構的強度進行校核[8].

1 載荷計算

1.1 水動力模型建立

計算首先在PATRAN軟件中建立帶穩定鰭的船體粗網格有限元模型，再將該模型導入波浪載荷計算程序中，在波浪載荷計算程序中將目標船表面進行水動力網格劃分.計算航速取為12 kn，波浪入射角取為0°～180°，間隔為45°，共計五個浪向.目標船水動力模型見圖1.

圖1 帶穩定鰭的SWATH船的水動力模型

1.2 考慮穩定鰭升力和慣性力影響的運動方程修正

穩定鰭上的升力可表示為

(1)

穩定鰭上的升力矩可表示為

(2)

穩定鰭上的流體慣性力為

(3)

因此，由鰭產生的總的垂向水動力可表示為

Ff=L+K

(4)

由鰭產生的總的垂向水動力縱傾力矩可表示為

Mf=-xfFf

(5)

同時，Mf,Ff又可分別寫成下列各種力之和

(6)

(7)

因此可得

(8)

將穩定鰭的動升力修正系數加入浮體運動方程[9]即可到到修正后的縱向運動方程[10]

通過修改現有的計算程序，求解修正后的運動方程可得到修正后船體的運動參數.升沉和縱搖的RAO見圖2.

圖2 修正運動方程后升沉及縱搖運動RAO

1.3 分布壓力計算

在求解速度勢φj(j=1,2,…,7)，并獲得規則波中船運動響應的穩態解之后，便可確定繞射勢φD和輻射勢φR.根據線性化的伯努利方程，同時考慮到靜水壓力變化，可以得總的脈動壓力

(9)

式中：

pS(x,y,z)=-ρg(η3+yη4-xη5)

2 設計載荷短期預報及試驗驗證

2.1 穩定鰭載荷短期預報

依據穩定鰭載荷在規則波中的計算結果，對其進行短期預報，得到航速為12 kn時，穩定鰭的升力、轉矩在不同海況下的短期預報值(有義值)，見表1.

表1 穩定鰭各載荷分量短期預報有義值

2.2 穩定鰭載荷試驗預報值

試驗在不規則波中進行，將穩定鰭安裝在船模上，采用自航方式.試驗海況為6級和7級，試驗浪向為頂浪0°、艏斜浪45°、橫浪90°、艉斜浪135°和隨浪180°；試驗航速為12 kn.測試參數為穩定鰭升力和轉矩.對試驗中記錄的鰭載荷(升力和轉矩)時間歷程曲線，采用時域統計方法，給出有義值.表2給出了穩定鰭的升力和轉矩試驗有義值結果，其中鰭受到的升力向下為正值，向上為負值.所有結果已換算至實船結果.

表2 穩定鰭的升力和轉矩試驗有義值結果

2.3 結果對比

將理論計算結果和試驗結果的有義值進行了對比，結果見表3.

表3 穩定鰭載荷分量短期預報值與試驗值對比

通過理論和試驗的結果可知：

1) 無論是六級海況還是七級海況升力和扭矩的結果都在0°和45°浪向達到較大值.

2) 將理論預報最大值和試驗最大值進行了對比可知，理論預報值比試驗值偏小，但是兩者相差不到15%，理論預報結果比較準確.理論值偏小可能是由于本文中載荷預報程序中用到的穩定鰭的運動慣性力是基于經驗公式計算的，并沒有通過試驗測量，導致阻尼系數的偏差，從而造成結果偏差.

3 穩定鰭有限元強度分析

3.1 載荷的確定

鰭在海水中的承受的載荷較為復雜，艏、艉穩定鰭通過與船體的連接將載荷最終傳遞到船體的加強結構上.此處船體的加強結構除了鰭本身傳遞的載荷外還要受到波浪水動壓力以及船體運動引起的慣性載荷等.鰭傳遞給主船體的載荷又可以分為：重力、浮力、波浪動壓力.其中波浪動壓力考慮了波浪載荷和運動引起的慣性力成分.波浪動壓力的具體計算方法是：通過對穩定鰭表面壓力進行積分，得到規則波中穩定鰭所受升力響應，以升力作為主控載荷確定設計波參數，見表4.計算此設計波下的鰭葉壓力分布，同時考慮到預報值比試驗值偏小，出于結構安全的考慮將鰭葉的分布壓力值統一放大1.2倍，使設計值與試驗值相當，并將放大后的壓力分布加載到穩定鰭的鰭葉，見圖3.

表4 穩定鰭各計算工況對應設計波參數

圖3 穩定鰭波浪載荷加載及邊界條件示圖

3.2 直接計算結果

船級社對于穩定鰭的強度衡準并沒有明確的規定，考慮到穩定鰭是布置在距船中較遠的船首尾處，總縱彎矩較小，穩定鰭的強度校核應參照局部強度衡準.文獻[7]對于很多局部構件的強度衡準根據其重要程度和載荷特點取值都不同，其中系泊加強結構的強度衡準取為0.8σS,無缺口舵葉的強度衡準約取為0.45σS，考慮到穩定鰭對本船的重要性以及承受與舵類似的交變載荷，本文選取了0.45σS作為穩定鰭的強度衡準.部強度計算結果見圖4和表5.

圖4 橫框架彎曲應力云圖

表5 工況LC1穩定鰭局部模型等效應力計算結果

通過強度計算結果可知，等效應力較大的位置為船體橫向隔板以及穩定鰭外板與船體外板連接處等區域，等效應力最大為51.6 MPa，應力水平較低，均符合衡準要求.

5 結 論

1) 通過理論預報值和試驗值的對比可知，兩者相差不到15%，理論預報結果較為準確.基于修改后的波浪載荷計算程序對穩定鰭進行載荷預報是可行的.

2) 直接將水動壓力施加于鰭葉表面和船體表面的加載方法更準確地反映了穩定鰭加強結構的受力狀態，相比只考慮總載荷的經驗公式法更為準確.

3) 從穩定鰭結構及加強區域的應力云圖看，其應力擴散范圍不大，只在穩定鰭結構與船體連接處有一定的應力集中，因此只需加強船體與穩定鰭連接處結構即能滿足強度要求.穩定鰭結構及加強區域的應力較大處為穩定鰭隔板和穩定鰭外板與船體外板連接處等區域，設計時應重點關注這些區域，同時由于穩定鰭受到的升力載荷在垂直方向，在鰭與外板連接的縱向范圍布置多道垂向的強構件能起到有效地支撐作用.