双体船砰击载荷数值仿真分析

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(中国船舶科学研究中心，江苏 无锡 214082)

双体船线型复杂，连接2个片体的连接桥底部较为平坦，且航速一般较高，在波浪航行时，连接桥底部、舷台、立柱、片体底部会受到不同程度的砰击，会对船体局部结构构成较大的威胁，因此，对双体船的入水砰击问题开展研究对于船体结构设计具有重要的意义。目前对砰击问题的研究主要包含数值计算与试验的方法。数值计算方法主要包含动量理论[1-2]、拟合法[3]、边界元法[4]及CFD方法[5-6]，试验方法包括物体入水试验[7-8]与模型波浪载荷试验[9-10]。考虑采用“2步走”的方法分析双体船的砰击压力。首先计算得到砰击瞬时船体与波浪之间的相对速度；再采用CFD的方法计算该相对速度条件下船体受到的砰击压力，分析双体船砰击载荷沿船长及高度方向的分布，并分析结构弹性效应对砰击载荷的影响。

1 砰击载荷

砰击压力与船体入水的速度平方呈正比[11]，即

p=kv2

(1)

求船舶砰击压力时，首先计算船舶在波浪中的运动响应，求出砰击瞬时船舶与波浪之间的相对速度，运用CFD方法求出砰击压力系数，利用砰击压力与入水速度的关系求出砰击压力。

1.1 基于FLUENT的砰击压力系数

基于FLUENT计算双体船入水砰击压力系数，选取需要计算的船体剖面(见图1)。

船体剖面纵向长度为1 m，在GAMBIT中建立船体入水模型，在入水模型中，测量点附近采用细网格，网格尺寸与湿甲板宽度的比值为1∶20，离测量点较远区域采用稀疏网格，网格尺寸与湿甲板宽度的比值为1∶7，见图2。

流体域上表面定义为PRESSURE_OUTLET,其余各表面定义为刚性墙WALL,利用FLUENT中提供的宏命令DEFINE_CG_MOTION,定义船体入水速度。初始状态下，距离船体底部1 m以下设置为水域，为静水状态，其余为空气域，因为采用的是动网格技术，计算过程中，船体垂直入水，从船体底部开始到湿甲板依次入水发生砰击。因为船体砰击压力与物体入水速度的平方成正比，砰击压力系数几乎不随入水速度的变化而变化[11]。故计算船体以10 m/s速度匀速进入到水中时受到的砰击压力，进而按照式(1)求出各测量点的砰击压力系数。

双体船120#肋位P1205测量点压力见图3，1.122 3 s时砰击压力，见图4。各剖面测量点砰击压力系数见表1。

表1 砰击压力系数

表1中“-”表示该点没有明显的砰击发生。由计算结果可以看到，连接桥底部及浮体底部的砰击压力系数较大，舷台的砰击压力系数次之，支柱体上的砰击压力系数最小。主要是因为连接桥底部的入水角较小，砰击压力系数较大，另外，内侧舷台的砰击压力系数较外侧舷台的砰击压力系数大，支柱体内侧测量点的砰击压力系数较外侧测量点的大，这主要是因为船舶两个片体的存在，引起支柱体内外流场不同造成的。从支柱体下端开始向上一直到湿甲板，砰击压力系数逐渐增大。P1206在砰击发生瞬时压力突然上升，然后下降，随着时间的持续，压力以某一斜率逐渐上升。这是因为砰击过后这些点受到的压力逐渐以静压为主，随着入水深度的增加，所受到的压力也逐渐增大。双体船各肋位线型沿着船长方向，没有太大变化，故认为各个肋位相同位置处的砰击压力系数相同。

1.2 基于DYTRAN的砰击压力系数

分别建立湿甲板、舷台及立柱的入水模型，计算结构为刚体和弹性体时的砰击压力，并比较分析二者之间的差异。

1.2.1 结构为刚体

结构为刚体时，结构单元材料选用Rigid(MATRIG)，空气单元选用Ideal Gas(DMAT)，水单元选用LinFluid(DMAT)，见图5，结构入水模型上部分为空气，下部分为水，内部为小水线面双体船结构模型，将小水线面双体船定义为流固耦合面，以实现结构与流体的相互耦合作用。计算船体结构以10 m/s的速度匀速进入到水中时，各测量点的砰击压力，进而求出各点的砰击压力系数。

1.2.2 结构为弹性体

船体结构单元材料选用Linear Elastic，空气单元选用Ideal Gas(DMAT)，水单元选用LinFluid(DMAT)，计算船体结构以10 m/s的速度匀速进入到水中时，各测量点的砰击压力，进而求出各点的砰击压力系数。

P1646测量点的砰击压力时历曲线见图6，各测量点的砰击压力系数见表2。

测量点FLUENTMSC.DYTRAN刚体弹性体P16410.730.710.25P16462.801.400.77P16471.491.170.58P16487.409.003.72

由计算结果可以看出，湿甲板和浮体底部的砰击压力系数较大，立柱部分的砰击压力系数较小，这主要是因为入水角的不同造成的，湿甲板和浮体底部较为平坦，砰击压力系数较大。由计算结果可以看出，当结构为刚体时，由FLUENT和DYTRAN计算得到的砰击压力系数较为接近。当结构为弹性体时，各点的砰击压力系数偏小，且砰击压力曲线振荡的也比较严重，这主要是因为结构的弹性减小了水对结构的冲击，在砰击过程中，船体板、桁材、纵骨、肋骨等结构会在其平衡位置上下振动，导致砰击压力也随着振荡。

2 砰击压力理论计算结果

2.1 计算工况

针对双体船，选取3个计算工况(见表3)，均为规则波，采用Sesam软件，计算各点发生砰击瞬时的入水速度。

表3 计算工况

2.2 计算模型和结果

对双体船和其流域进行三维建模，其三维计算模型见图7。

船体测量点的静吃水为d，则该点发生底部砰击的数学表达式为

(2)

表4为各工况各测量点砰击瞬时的入水速度及所受到的砰击压力。“-”表示该点没有明显的砰击发生，“0”表示该点没有发生砰击。波高为6 m时，各肋位的连接桥与船舶底部都没有砰击发生；波高为9 m时，连接桥处有砰击发生，但船舶底部依然不会发生砰击；波高为14 m时，连接桥处及船舶底部都有砰击发生。随着浪高的增大，砰击瞬时船舶入水速度也逐渐增大。连接桥底部及浮体底部的砰击压力较大，主要是因为这部分结构平坦，砰击压力系数较大；支柱体内侧测量点的砰击压力较外侧测量点的大，这主要是因为船舶两个片体的存在，引起支柱体内外流场不同造成的。

120#肋位各点入水速度随距船体基线高度变化见图8。随着距基线高度的增大，入水速度先增大后减小，船体水线面处的测量点的入水速度最大。由于小水线面线型的特点，砰击压力随距船体基线高度变化比较复杂，低海况条件下，湿甲板和船体底部不会发生砰击，砰击主要发生在船体支柱体和舷台处；高海况条件下，湿甲板和船体底部会发生砰击，砰击压力比支柱体和舷台处的砰击压力大。舷台、湿甲板处各测量点的砰击瞬时船体与波浪之间相对速度及砰击压力沿船长纵向分布见图9、10。

表4 各工况下各测量点砰击瞬时的入水速度及砰击压力

由图9、10可见，从船艉向船艏，入水速度和砰击压力基本上都是先减小，后逐渐增大，入水速度和砰击压力都是在船肿处最小，在船艏处最大。

3 结语

1)当船体匀速进入到水中时，船体底部和湿甲板两点的砰击压力系数最大，舷台砰击压力系数次之，支柱体的砰击压力系数最小。当船体结构为刚体时，由FLUENT和MSC.DYTRAN计算出的砰击压力系数较为接近。

2)当结构为弹性体时，各点的砰击压力系数偏小，且砰击压力曲线振荡的也比较严重，这主要是因为结构的弹性减小了水对结构的冲击，在砰击过程中，船体板、桁材、纵骨、肋骨等结构会在其平衡位置上下振动，导致砰击压力也随着振荡。

3)波高为6 m时，各个肋位的连接桥与船舶底部都没有砰击发生；波高为9 m时，连接桥处有砰击发生，但船舶底部依然不会发生砰击；波高为14 m时，连接桥处及船舶底部都有砰击发生，随着浪高的增大，砰击瞬时船舶入水速度也逐渐增大。

4)从船艉向船艏，入水速度和砰击压力基本上都是先减小，后逐渐增大，入水速度和砰击压力都是在船肿处最小，在船艏处最大。同一肋位测量点，随着距基线高度的增大，入水速度都是先增大后减小，船体水线面处的测量点的入水速度最大。