不對稱多體平臺波浪載荷分析

(海裝艦艇局，北京 100841)

目前針對不對稱多體平臺研究,歐洲設計了不對稱復合船型方案，俄羅斯提出了瀕海戰斗艦概念方案。國內外學者對此類船型的研究報道集中于初穩性、振動模態特性以及阻力性能優化等方面[1-5]。少見該船型在波浪外載荷方面的研究報道，國內外尚無直接適用的相關規范。為此，根據某不對稱多體平臺的設計資料，選用DNV開發的SESAM軟件中三維時域水動力計算模塊Wasim[6-7]進行數值預報，分析該船型的波浪載荷特性分布。結合勞氏三體船規范，對比規范計算值與數值預報結果，分析規范的適用性，并對超出適用范圍的的規范公式提出修正方法，以期為后續同船型的設計及優化提供參考依據。

1 波浪載荷數值計算

1.1 不對稱多體平臺計算模型

選用計算船舶的主尺度見表1，建立船體表面網格見圖1。

表1 不對稱多體平臺主尺度

圖1 不對稱平臺船體表面網格模型

不對稱多體平臺通過變化片體的縱/橫向布局位置生成5個方案，見表2。其中：A為片體尾部和主船體艉部的縱向相對距離，B為片體中縱剖面和主船體中縱剖面的橫向相對距離。

表2 片體布局方案參數 m

1.2 波浪載荷特性分析

基于不對稱平臺在規則波浪作用下的頻響計算結果進行特征載荷的長期預報，計算總體載荷隨浪向的分布見圖2。連接橋載荷隨浪向的分布見圖3。

圖2 總體載荷隨浪向的分布

圖3 連接橋載荷隨浪向的分布

1.2.1 沿船長的分布規律

總體載荷沿船長的分布見圖4。計算結果表明，垂向波浪彎矩Mw隨船長的分布規律與單體船基本一致，不同片體布局方案上的數值差異很小，說明與總縱彎曲相關的主要載荷由主船體決定；縱向轉矩Mlt隨船長的分布規律表現出與片體很大的相關性，布置有片體區域的Mlt遠大于單獨主船體區域，同時隨著主船體與片體之間間距的增加，Mlt的載荷值不斷變大，且單峰形狀越明顯。

圖4 總體載荷沿船長的分布

1.2.2 片體位置及航速對載荷大小的敏感性分析

將不同片體位置布局在同一航速下的載荷的長期預報最大值和最小值之比定義為片體位置對該載荷的影響系數，將不同航速下片體位于同一縱向/橫向位置的載荷長期預報最大值和最小值之比定義為航速效應對該載荷的影響系數，計算結果見表3～7。

由表3～表7可見，片體的縱向、橫向位置，以及航速對Mw的影響很小，片體橫向位置對Mlt、Msp、Qsp影響最大，航速對連接橋載荷Msp、Qsp的影響較大，在方案設計階段就需要予以關注。

表3 片體位置及航速效應對Mw的影響N·m

表4 片體位置及航速效應對Mlt的影響系數N·m

2 三體船規范適用性分析及修正

考慮到三體船與不對稱多體平臺在載荷特點上具有一定的相似性，通過將不同航速下的長期預報結果與勞氏三體船規范經驗公式計算值進行對比。

2.1 規范計算結果及適用性分析

依據規范對該不對稱平臺的設計波浪載荷進行計算，其中設計波浪載荷包括船體梁縱向波浪載荷與連接橋橫向波浪載荷，各特征載荷的規范計算峰值見表7，總縱垂向彎矩Mw、縱向轉矩Mlt在船長上的分布情況見圖5。

表5 片體位置及航速效應對Msp的影響系數N·m

表6 片體位置及航速效應對橫向扭矩Mtt的影響系數N·m

對比波浪載荷數值結果和規范計算值，發現兩者存在一定的差距，從規范的適用性進行分析。

1)勞氏三體船規范中的波浪載荷公式是結合“海神號”三體船的實船試驗結果修正而成，片體位置位于船中，并未考慮片體的不同橫向/縱向位置對各特征載荷的影響。

表7波浪載荷規范計算結果N·m

方案項目MwMltMsp0號點1號點Mtt1中拱中垂1.26×1081.58×1086.26×1072.93×1061.66×1071.04×1075.90×1077.43×1072中拱中垂1.26×1081.58×1086.31×1072.93×1061.66×1071.04×1075.90×1077.43×1073中拱中垂1.26×1081.58×1086.27×1072.93×1061.66×1071.04×1075.90×1077.43×1074中拱中垂1.26×1081.58×1081.26×1083.68×1062.41×1072.70×1071.77×1087.43×1075中拱中垂1.26×1081.58×1081.89×1084.44×1063.18×1074.95×1073.55×1087.43×107

圖5 垂向彎矩Mw和縱向轉矩Mlt沿船長上的分布

2)縱垂向彎矩Mw的數值結果和規范計算值比較接近，說明與總縱彎曲強度相關的Mw的載荷主要由主船體決定，片體對載荷的貢獻很小，沒必要對Mw的計算公式進行修正。

3)縱向扭矩Mlt的規范計算值遠大于數值結果，說明片體對Mlt貢獻很大，主體部分貢獻的縱向轉矩非常小，縱向轉矩Mlt受片體數量和布局位置影響很大，需要對Mlt的計算公式進行片體縱向、橫向位置的參數修正。

4)規范計算時，中垂下Msp的數值大小主要由主體的排水量決定，因為三體船的主體左右兩側均布置有片體，對主體的剛度約束較大，而不對稱平臺只在單側布置有片體，對主體的剛度約束較小，計算時會產生較大誤差，需要對Msp的規范公式進行片體橫向位置及航速的雙參數修正。

5)橫向轉矩Mtt受片體縱向布局影響很大，需要對片體的縱向位置進行修正。

2.2 規范公式修正

對超出適用性范圍的Mlt、Msp、Mtt采用多項式最小二乘法進行參數修正。修正結果如下。

1)縱向轉矩Mlt

Mlt=5.77Tffservρ·

2)對開力矩Msp。

式中：Kv=0.001 6V3-0.0385V2+0.345V+2.326；

3)橫向轉矩Mtt。

Mtt=3.75fservρ(Vsh+Vcd)LshaheaveKx

將三維勢流理論數值結果和規范修正前后的計算值匯總見表8、9、10。

表8 不同方法下Mlt的計算結果 107 N·m

對比可以看出，經過修正后的經驗公式能更好地滿足不對稱船型的波浪載荷預報。

3 結論

1)航速、片體的縱向位置、橫向位置對Mw的分布規律影響不大；迎浪以及隨浪時，Mw最大，橫浪時最小；船中區域Mw出現最大值，首尾兩端趨于0。

表9 不同方法下Msp的計算結果107 N·m

表10 不同方法下Mtt的計算結果107 N·m

2)航速對Mlt載荷隨浪向的分布有一定影響：隨著航速增加，Mlt最大值對應的浪向逐漸由左舷橫浪狀態(270°)過渡到首斜浪狀態下；片體的位置布局對Mlt隨船長的分布規律影響很大，布置有片體區域的Mlt遠大于單獨主船體區域，隨著主片體之間間距的增加，Mlt的載荷值不斷變大。

3)航速對Msp載荷隨浪向的分布有一定影響，隨著航速的增加，載荷最大值逐漸過渡到首斜浪情況下；片體的橫向布局對Msp的大小影響很大，隨著主片體之間間距的增加，Msp的載荷值不斷變大。

4)航速對Mtt隨浪向的分布規律影響不大，最大值出現在尾斜浪的時候。

5)基于波浪載荷分布特性的研究結果，對規范公式中超出適用性范圍的部分進行修正后，能更好地滿足不對稱船型的波浪載荷預報。