李 鵬 陳曉晨

（上海船舶研究設計院，上海201203）

0 前言

船舶運營過程中，受波浪影響可能會發(fā)生砰擊、上浪、螺旋槳飛車等意外情況，對航行船舶安全構成極大威脅。因而準確預報波浪中船舶的運動性能就顯得至關重要。同時，營運中船舶所受載荷隨波浪運動不斷變化，準確預報營運船舶波浪載荷也成為船舶結構強度評估的重要問題。

根據(jù)線性理論，船舶在真實海況不規(guī)則波上的運動和波浪載荷可以看作無數(shù)不同浪向、頻率、相位的規(guī)則波上的運動和波浪載荷組分疊加而成。因而規(guī)則波上的運動和波浪載荷預報就成為耐波性和波浪載荷預報中的首要問題。針對規(guī)則波上船舶的運動和波浪載荷預報，工程中主要采用三維勢流理論，計算船舶波浪壓力，求解船舶運動，進而預報剖面載荷。

1 計算方法

根據(jù)線性頻域理論和理想流體假設，波浪中流體速度可通過求解速度勢獲得。通過面元法建立三維船體模型，即可求得船舶運動速度勢，從而可計算船舶的附加質(zhì)量和阻尼系數(shù)，建立波浪中船舶運動方程［1］：

式中：M——船體質(zhì)量矩陣；

η——船體運動位移；

A——附加質(zhì)量矩陣；

B——阻尼系數(shù)矩陣；

C——靜水力系數(shù)矩陣；

f——波浪擾動力矩陣

根據(jù)速度勢求解船體表面的流體速度分布，再通過伯努利方程即可計算船體表面的水動壓力分布。

根據(jù)達朗貝爾原理，作用于部分長度浮體上的真實流體載荷與剛體慣性力載荷相平衡。于是波浪中船舶的剖面載荷即可通過式（2）［1］求解。

式中：Q——計算剖面的剖面載荷；

p——船體所受靜水壓力和水動壓力之和；

M——廣義船體質(zhì)量

2 計算模型簡介

8 000 kW海洋救助船是一種新型多功能遠海救助船。該船航行于無限航區(qū)，主要用于海上失事船只的人命救生和以海上人命救生為目的的船舶救助及消防滅火。該船具有一級對外消防滅火作業(yè)能力、海面浮油回收作業(yè)能力以及營救作業(yè)能力，能搭載獲救人員100人，并能拖曳浮筒和起浮的沉船；同時提供搜救直升飛機懸停作業(yè)。該船主要船型參數(shù)如下：

圖1為8 000 kW海洋救助船布置圖。

圖1 8 000 kW海洋救助船總布置圖

根據(jù)型線圖，建立三維水動力計算模型，見圖2。將水動力模型導入三維勢流理論軟件Hydrostar，即可求解船舶的脈動水動壓力。再根據(jù)船舶的質(zhì)量分布，即可獲得規(guī)則波上船舶的運動和波浪載荷響應。

圖2 水動力計算模型

3 計算結果

計算工況選取船舶裝載甲板貨，滿載出港工況。波浪彎矩選取靜水彎矩最大處FR84。規(guī)則波波幅為1 m，計算頻率從 0.1～1.8 rad/s，每隔 0.05 rad/s 為一計算頻率。浪向從0°～180°，每隔45°為一個計算浪向。圖3～圖8為船舶六個自由度運動的幅頻響應算子（RAO），圖9為FR84處波浪載荷RAO。

圖3 縱蕩運動RAO

圖4 橫蕩運動RAO

圖5 升沉運動RAO

圖6 縱搖運動RAO

圖7 橫搖運動RAO

圖8 首搖運動RAO

圖9 垂向波浪彎矩RAO

4 運動與波浪載荷預報結果分析

分析上述計算結果，發(fā)現(xiàn)對于縱蕩和橫蕩運動，運動幅值隨頻率增加而衰減，縱蕩運動最大幅值發(fā)生在0°浪向，橫蕩運動最大幅值發(fā)生在90°浪向。

對于垂蕩運動，隨波浪頻率降低，垂蕩運動幅值趨近于入射波波幅。隨波浪頻率升高，垂蕩運動幅值不斷衰減，且其運動幅值在固有頻率附近存在一峰值。90°浪向下的運動響應最大。

對于縱搖和橫搖運動，其運動幅值存在明顯峰值?？v搖運動的最大幅值發(fā)生在45°浪向下，橫搖運動的最大幅值發(fā)生在90°浪向下。對于首搖運動，45°斜浪下的運動幅值最大，且在固有頻率處存在峰值。對于垂向波浪彎矩，最大值發(fā)生在45°浪向。

5 結語

本文運用三維勢流理論預報了8 000 kW海洋救助船在規(guī)則波上的運動與波浪載荷響應，為預報真實海況不規(guī)則波下耐波性與波浪載荷預報打下了基礎。三維勢流理論可以充分考慮船體型線變化，采用其評估船舶耐波性和波浪載荷，可以為船舶總體性能優(yōu)化和結構設計提供參考和依據(jù)。

［1］戴仰山，沈進威，宋競正.船舶波浪載荷［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2007.