CN112883488A - 一种基于船波相对运动的砰击载荷预报方法 - Google Patents

一种基于船波相对运动的砰击载荷预报方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于船波相对运动的砰击载荷预报方法，包括如下步骤：获取船型信息和计算工况信息；获取船体表面压力计算点位置处的砰击压力系数；采用理论计算或模型试验的方法，获取船体表面压力计算点的入水过程中的垂向相对位移和垂向相对速度，即获取船体表面压力计算点与波浪相对运动的时历曲线；根据船波相对运动的位移时历曲线，判断船体表面压力计算点的砰击发生时间；对于船体表面压力计算点位于水面以下的入水阶段的时间段，根据砰击压力的简化计算公式计算不同时刻的砰击压力值。该方法可基于理论计算或试验测量所得的船体与波浪的相对运动或相对速度信息，直接快速高效地计算出船体表面指定位置处的砰击压力载荷的时历曲线。

Description

一种基于船波相对运动的砰击载荷预报方法
技术领域
本发明涉及船舶砰击载荷预报技术领域，特别涉及一种基于船波相对运动的砰击载荷预报方法。
背景技术
船舶在恶劣海况中航行时会产生六自由度摇荡运动，剧烈的垂荡和纵摇运动会使船体艏艉等部位发生频繁的出水和入水现象，船体在入水过程中会与波浪发生相互接触与撞击，进而导致砰击现象的发生。巨大的砰击载荷不仅会引起全船结构的颤振响应，还可能会引起局部结构的破坏。因此，准确预报与评估船舶在波浪中的砰击压力载荷是十分重要的，也是船体结构强度设计与评估的重要前提条件。
船舶砰击压力载荷的预报方法包括理论计算、数值模拟和试验方法。为了简化船舶与波浪的相互作用问题，研究者们往往将船艏部入水砰击问题与船舶在波浪中的运动问题分离开并对结构的入水问题进行了独立研究。例如，采用Wagner理论和von Karman理论可以估算二维楔形体和平板的入水砰击载荷；采用相似解等解析方法可以计算二维楔形体和三维回转体的入水砰击载荷；采用基于边界元法的势流理论和基于有限体积法的CFD技术可以计算更加复杂几何形状的物体与流体相互作用的砰击压力；采用船体局部几何模型或简化后的二维剖面楔形体模型开展落体试验可以测量物面上不同位置处的入水砰击压力。
为了更准确地预报船舶在波浪中航行时的砰击压力载荷，研究者们将船舶运动及波浪力的求解与砰击载荷的求解进行耦合计算，即在船舶运动控制微分方程中引入了砰击力的贡献，甚至还考虑了船体结构的水弹性振动对于砰击载荷的影响。迄今，相关的势流理论、CFD技术也已取得了显著成绩，并可以准确预报船舶运动响应与局部砰击载荷。另一方面，在船模的艏部外飘区域或底部区域安装若干个压力传感器，通过开展水池模型耐波性试验或波浪载荷试验也可准确测量船体表面上的砰击压力。然而，上述理论或试验方法中的砰击压力载荷的计算或测量较为复杂、难度较高、工作量较大。例如，在势流理论中需要采用基于边界元法的Wagner模型求解船体剖面在入水过程中的砰击压力；在CFD方法中需要求解RANS方程和连续性方程得到船体表面上的入水砰击压力；在模型试验中需要在船体外表面布置多个压力传感器并进行高频采样从而测量砰击压力。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺陷和不足，提供了一种基于船波相对运动的砰击载荷预报方法。该方法可基于理论计算或试验测量所得的船体与波浪的相对运动或相对速度信息，直接快速高效地计算出船体表面指定位置处的砰击压力载荷的时历曲线。
本发明的目的可以通过如下技术方案实现：一种基于船波相对运动的砰击载荷预报方法，包括如下步骤：
获取船型信息和计算工况信息；
获取船体表面压力计算点位置处的砰击压力系数；
采用理论计算或模型试验的方法，获取船体表面压力计算点的入水过程中的垂向相对位移和垂向相对速度，即获取船体表面压力计算点与波浪相对运动的时历曲线；
根据船波相对运动的位移时历曲线，判断船体表面压力计算点的砰击发生时间；
对于船体表面压力计算点位于水面以下的入水阶段的时间段，采用下述公式计算砰击压力值：
Figure BDA0002935132120000021
其中，P为砰击压力值，ρ为水密度，K为砰击压力系数；v为船体表面压力计算点与波浪的垂向相对运动速度，t为时间。
进一步地，砰击压力系数K根据下述公式计算得到：
Figure BDA0002935132120000022
其中，P0为基于数值仿真或模型试验所得到的船体表面压力计算点在整个入水过程中的砰击压力峰值，V为对应时刻的入水速度。
进一步地，采用三维线性势流理论对船波垂向相对位移和垂向相对速度进行计算，假设船体表面压力计算点的坐标为Q(xb,yb,zb)，则该点的垂向位移zp和垂向速度vp分别为：
Figure BDA0002935132120000031
Figure BDA0002935132120000032
其中，z、
Figure BDA0002935132120000033
θ分别为船舶重心位置处的垂荡、横摇角和纵摇角；
船体表面压力计算点Q(xb,yb,zb)在波浪传播方向轴上的位置为：
X＝(Ut+xb)cosβ-yb sinβ (5)
其中，U为船舶航速，β为浪向角；
船体表面压力计算点位置处对应的波浪的波面高程可表示为：
ζ(X,t)＝ζacos{ωet+k[(Ut+xb)cosβ-yb sinβ]} (6)
其中，k为波数；
则船体表面压力计算点位置处对应的波面的垂向速度可对公式(6)求导得到：
vξ(t)＝ωeζa sin{ωet+k[(Ut+xb)cosβ-yb sinβ]} (7)
则船体表面压力计算点Q(xb,yb,zb)与波浪的垂向相对位移和垂向相对运动速度分别为：
w(t)＝zp(t)-ζ(t) (8)
v(t)＝vp(t)-vζ(t) (9)。
进一步地，根据三维线性势流理论可知，船舶重心位置处的垂荡、横摇角和纵摇角随时间的变化可看作是简谐运动，可表达为：
Figure BDA0002935132120000034
其中，ζa为波幅，ωe为遭遇频率，Rz、
Figure BDA0002935132120000035
Rθ分别为单位波幅下的船舶垂荡、横摇角和纵摇角的振幅，εz、
Figure BDA0002935132120000036
εθ分别为单位波幅下的船舶垂荡、横摇角和纵摇角的初相位。
进一步地，Rz、
Figure BDA0002935132120000041
Rθ、εz、
Figure BDA0002935132120000042
εθ可以根据三维线性势流理论计算得到。
进一步地，采用船舶耐波性试验对船波垂向相对位移和垂向相对速度进行测量，通过在水池试验船模的艏部相应剖面安装电容式浪高仪，测量船模在波浪中航行时的船波垂向相对位移，对垂向相对位移进行时间求导得到垂向相对速度。
进一步地，根据船波相对运动的位移时历曲线，将其与船体表面压力计算点与静水面之间的距离作差，结果大于零对应的时间段即为船体表面压力计算点与水接触的持续时间。
进一步地，船体表面压力计算点与水接触的持续时间段包括艏部入水和艏部出水两个阶段，艏部出水过程中相对速度为负值，认为砰击压力值是零。
进一步地，艏部入水过程中船体表面压力计算点的下潜深度逐渐增加，对应于相对位移时历曲线的递增区间。
进一步地，艏部出水过程中船体表面压力计算点的下潜深度逐渐减小，对应于相对位移时历曲线的递减区间。
本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：本发明一种基于船波相对运动的砰击载荷预报方法可基于理论计算或试验测量所得的船体与波浪的相对运动或相对速度信息，直接快速高效地计算出船体表面指定位置处的砰击压力载荷的时历曲线。解决了现有的理论计算与模型试验中砰击压力载荷预报的直接计算的繁杂性、测量成本高等缺陷。
附图说明
图1是本发明实施例中基于船波相对运动的砰击载荷预报方法流程框图；
图2是本发明实施例中船体表面压力计算点所在横剖面的位置图；
图3是图2中压力计算点Q所在横剖面的正视图；
图4是本发明实施例中基于ANSYS/LS-DYNA软件模拟的计算点在入水过程中的压力变化图；
图5是本发明实施例中船舶在波浪中运动引起的计算点入水的示意图；
图6是本发明实施例中船波垂向相对位置随时间的变化图；
图7是本发明实施例中砰击发生与持续时间示意图；
图8是本发明实施例中砰击压力计算结果示意图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
如图1所示，一种基于船波相对运动的砰击载荷预报方法，包括如下步骤：
步骤一：获取船型信息和计算工况信息。船型信息包括几何型线信息、船型主尺度、排水量、重量分布、重心位置、转动惯量、船体表面压力计算点位置等。计算工况信息包括海况参数(规则波的波长或周期、波高)、船舶航速、浪向角。
步骤二：获取船体表面压力计算点位置处的砰击压力系数。
船壳上不同位置处的砰击压力系数仅取决于与该位置相关的船壳几何形状信息，而与入水速度无关。因此，不同位置处的砰击压力系数可以预先通过理论计算或模型试验的方式获得砰击过程的压力信号，进而根据下述公式计算得到：
Figure BDA0002935132120000051
其中，K为所要计算的砰击压力系数，P0为基于数值仿真或模型试验所得到的船体表面压力计算点在整个入水过程中的砰击压力峰值，V为对应时刻的入水速度，ρ为水密度。
步骤三：采用理论计算或模型试验的方法，获取船体表面压力计算点的入水过程中的垂向相对位移和垂向相对速度，即获取船体表面压力计算点与波浪相对运动的时历曲线。
采用三维线性势流理论对船波垂向相对位移和垂向相对速度进行计算，假设船体表面压力计算点的坐标为Q(xb,yb,zb)，则该点的垂向位移zp和垂向速度vp分别为：
Figure BDA0002935132120000052
Figure BDA0002935132120000061
其中，z、
Figure BDA0002935132120000062
θ分别为船舶重心位置处的垂荡、横摇角和纵摇角；
船体表面压力计算点Q(xb,yb,zb)在波浪传播方向轴上的位置为：
X＝(Ut+xb)cosβ-yb sinβ (5)
其中，U为船舶航速，β为浪向角；
船体表面压力计算点位置处对应的波浪的波面高程可表示为：
ζ(X,t)＝ζacos{ωet+k[(Ut+xb)cosβ-yb sinβ]} (6)
其中，k为波数；
则船体表面压力计算点位置处对应的波面的垂向速度可对公式(6)求导得到：
vξ(t)＝ωeζa sin{ωet+k[(Ut+xb)cosβ-yb sinβ]} (7)
则船体表面压力计算点Q(xb,yb,zb)与波浪的垂向相对位移和垂向相对运动速度分别为：
w(t)＝zp(t)-ζ(t) (8)
v(t)＝vp(t)-vζ(t) (9)
根据三维线性势流理论可知，船舶重心位置处的垂荡、横摇角和纵摇角随时间的变化可看作是简谐运动，可表达为：
Figure BDA0002935132120000063
其中，ζa为波幅，ωe为遭遇频率，Rz、
Figure BDA0002935132120000064
Rθ分别为单位波幅下的船舶垂荡、横摇角和纵摇角的振幅，εz、
Figure BDA0002935132120000065
εθ分别为单位波幅下的船舶垂荡、横摇角和纵摇角的初相位。Rz、
Figure BDA0002935132120000066
Rθ、εz、
Figure BDA0002935132120000067
εθ可以根据三维线性势流理论计算得到。
也可以采用船舶耐波性试验对船波垂向相对位移和垂向相对速度进行直接测量，通过在水池试验船模的艏部相应剖面安装电容式浪高仪，测量船模在波浪中航行时的船波垂向相对位移，对垂向相对位移进行时间求导得到垂向相对速度。
步骤四：根据船波相对运动的位移时历曲线，判断船体表面压力计算点的砰击发生时间。
判断船体表面压力计算点Q(xb,yb,zb)与波面的相对位置。步骤三已经求出了船波相对运动的位移时历曲线，将其与船体表面压力计算点与静水面之间的距离作差，结果大于零对应的时间段即为船体表面压力计算点与水接触的持续时间。这是因为只有当水面高度超过计算点时才会产生砰击压力，否则计算点未与水发生接触，压力为零(将大气压力设为零点)。
船体表面压力计算点与水接触的持续时间段包括艏部入水和出水两个阶段，入水过程中船体表面压力计算点的下潜深度逐渐增加，对应于相对位移历时曲线的递增区间。出水过程中船体表面压力计算点的下潜深度逐渐减小，对应于相对位移历时曲线的递减区间，此时的相对速度为负值，因此不考虑此阶段的砰击载荷，也认为砰击压力值是零。
步骤五：根据步骤四所得到的船体表面压力计算点Q(xb,yb,zb)与波面的相对位置，判断船体表面压力计算点的砰击现象发生和持续时间，并计算不同时刻的砰击压力值。对于船体表面压力计算点位于水面以上的时间段及虽位于水面以下但处于出水状态的时间段，压力值为零。对于船体表面压力计算点位于水面以下的入水阶段的时间段，采用下述公式计算砰击压力值：
Figure BDA0002935132120000071
其中，P为砰击压力值，K为砰击压力系数(仅取决于物面形状，已通过步骤二得到)；v为船体表面点与波浪的垂向相对运动速度(已通过步骤三得到)。
实施例一
本实施例中所选取船型主要参数见表1，本实施例中针对1:40的缩尺模型的砰击压力载荷进行研究。如图2、3所示，选择船艏部外飘区域的艏柱所在横剖面上的点为例进行分析，船体表面压力计算点在实船随船坐标系中的具体位置为Q(127,1.23,10)，单位m。所选取的计算工况为：规则波迎浪工况，波长船长比λ/L＝1.0、波高H＝6.4m，实船航速V＝8kn，浪向角β＝0(迎浪)。
表1船型主要参数
内容 实船 模型
缩尺比 1:1 1:40
水线长L/m 132 3.3
型宽B/m 20.8 0.52
型深D/m 9.8 0.245
吃水T/m 6.5 0.1625
排水量Δ/t 10620 0.166
重心纵向位置(距艉柱)x<sub>g</sub>/m 64.11 1.60275
船壳上不同位置处的砰击压力系数仅取决于与该位置相关的船壳几何形状信息，而与入水速度无关。因此，本实施例中使用基于CFD原理的ANSYS/LS-DYNA软件对船体表面压力计算点所在的船体横剖面进行二维剖面入水过程的水动力仿真模拟，计算得到船体表面压力计算点入水过程中的砰击压力时历曲线。如图4、5所示，根据数值仿真所得到的船体表面压力计算点在整个入水过程中的砰击压力峰值P0为253.2kPa和对应时刻的入水速度V为12.1m/s，利用公式(2)可以计算得到船体表面压力计算点位置的砰击压力系数为K＝3.45。
基于三维线性势流理论计算的船舶在波浪中的运动响应，可以得到单位波幅入射波作用下的船舶重心位置处的垂荡、横摇角和纵摇角的幅频响应和初相位信息。进而根据公式(8)得到船波相对位置随时间的变化关系，见图6，然后利用公式(9)得到船体表面压力计算点的入水过程中的砰击速度。
判断船体表面压力计算点Q(xb,yb,zb)与波面的相对位置。步骤三已经求出了船波相对运动的位移时历曲线，将其与船体表面压力计算点与静水面之间的距离作差，结果大于零对应的时间段即为砰击压力的可能持续时间，见图7。这是因为只有当水面高度超过计算点时才会产生砰击压力，否则计算点未与水发生接触，压力为零(将大气压力设为零点)。
进一步地，船体表面压力计算点与水接触的持续时间段包括艏部入水和出水两个阶段。入水过程中砰击压力计算点的下潜深度逐渐增加，对应于相对位移历时曲线的递增区间，此时船壳与水发生相互撞击产生高压。出水过程中砰击压力计算点的下潜深度逐渐减小，对应于相对位移历时曲线的递减区间，此时的相对速度为负值，因此不考虑此阶段的砰击载荷，也认为砰击压力是零。
根据步骤四所得到的船体表面压力计算点Q(xb,yb,zb)与波面的相对位置，判断船体表面压力计算点是否与水发生接触，并计算不同时刻的砰击压力值。对于计算点位于水面以上的时间段及虽位于水面以下但处于出水过程的时间段，砰击压力值为零。对于计算点位于水面以下的入水过程时间段，采用公式(1)计算压力值，计算结果见图8。其中砰击压力系数K为仅取决于物面形状，已通过步骤二得到；船体表面点与波浪的垂向相对运动速度v已通过步骤三得到。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种基于船波相对运动的砰击载荷预报方法，其特征在于，包括如下步骤：
获取船型信息和计算工况信息；
获取船体表面压力计算点位置处的砰击压力系数；
采用理论计算或模型试验的方法，获取船体表面压力计算点的入水过程中的垂向相对位移和垂向相对速度，即获取船体表面压力计算点与波浪相对运动的时历曲线；
根据船波相对运动的位移时历曲线，判断船体表面压力计算点的砰击发生时间；
对于船体表面压力计算点位于水面以下的入水阶段的时间段，采用下述公式计算砰击压力值：
Figure FDA0002935132110000011
其中，P为砰击压力值，ρ为水密度，K为砰击压力系数；v为船体表面压力计算点与波浪的垂向相对运动速度，t为时间。
2.根据权利要求1所述的一种基于船波相对运动的砰击载荷预报方法，其特征在于，砰击压力系数K根据下述公式计算得到：
Figure FDA0002935132110000012
其中，P0为基于数值仿真或模型试验所得到的船体表面压力计算点在整个入水过程中的砰击压力峰值，V为对应时刻的入水速度。
3.根据权利要求1所述的一种基于船波相对运动的砰击载荷预报方法，其特征在于，采用三维线性势流理论对船波垂向相对位移和垂向相对速度进行计算，假设船体表面压力计算点的坐标为Q(xb,yb,zb)，则该点的垂向位移zp和垂向速度vp分别为：
Figure FDA0002935132110000015
Figure FDA0002935132110000013
其中，z、
Figure FDA0002935132110000014
θ分别为船舶重心位置处的垂荡、横摇角和纵摇角；
船体表面压力计算点Q(xb,yb,zb)在波浪传播方向轴上的位置为：
X＝(Ut+xb)cosβ-ybsinβ (5)
其中，U为船舶航速，β为浪向角；
船体表面压力计算点位置处对应的波浪的波面高程可表示为：
ζ(X,t)＝ζacos{ωet+k[(Ut+xb)cosβ-ybsinβ]} (6)
其中，k为波数；
则船体表面压力计算点位置处对应的波面的垂向速度可对公式(6)求导得到：
vξ(t)＝ωeζasin{ωet+k[(Ut+xb)cosβ-ybsinβ]} (7)
则船体表面压力计算点Q(xb,yb,zb)与波浪的垂向相对位移和垂向相对运动速度分别为：
w(t)＝zp(t)-ζ(t) (8)
v(t)＝vp(t)-vζ(t) (9)。
4.根据权利要求1所述的一种基于船波相对运动的砰击载荷预报方法，其特征在于，根据三维线性势流理论可知，船舶重心位置处的垂荡、横摇角和纵摇角随时间的变化可看作是简谐运动，可表达为：
Figure FDA0002935132110000021
其中，ζa为波幅，ωe为遭遇频率，Rz、
Figure FDA0002935132110000022
Rθ分别为单位波幅下的船舶垂荡、横摇角和纵摇角的振幅，εz、
Figure FDA0002935132110000023
εθ分别为单位波幅下的船舶垂荡、横摇角和纵摇角的初相位。
5.根据权利要求4所述的一种基于船波相对运动的砰击载荷预报方法，其特征在于，Rz、
Figure FDA0002935132110000024
Rθ、εz、
Figure FDA0002935132110000025
εθ可以根据三维线性势流理论计算得到。
6.根据权利要求1所述的一种基于船波相对运动的砰击载荷预报方法，其特征在于，采用船舶耐波性试验对船波垂向相对位移和垂向相对速度进行测量，通过在水池试验船模的艏部相应剖面安装电容式浪高仪，测量船模在波浪中航行时的船波垂向相对位移，对垂向相对位移进行时间求导得到垂向相对速度。
7.根据权利要求1所述的一种基于船波相对运动的砰击载荷预报方法，其特征在于，根据船波相对运动的位移时历曲线，将其与船体表面压力计算点与静水面之间的距离作差，结果大于零对应的时间段即为船体表面压力计算点与水接触的持续时间。
8.根据权利要求7所述的一种基于船波相对运动的砰击载荷预报方法，其特征在于，船体表面压力计算点与水接触的持续时间段包括艏部入水和艏部出水两个阶段，艏部出水过程中相对速度为负值，认为砰击压力值是零。
9.根据权利要求8所述的一种基于船波相对运动的砰击载荷预报方法，其特征在于，艏部入水过程中船体表面压力计算点的下潜深度逐渐增加，对应于相对位移时历曲线的递增区间。
10.根据权利要求8所述的一种基于船波相对运动的砰击载荷预报方法，其特征在于，艏部出水过程中船体表面压力计算点的下潜深度逐渐减小，对应于相对位移时历曲线的递减区间。
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