船舶波浪载荷预报方法和模型试验研究综述

系统阐述船舶波浪载荷预报的二维、二维半、三维方法以及水弹性力学分析方法,详细分析了完全弹性模型以及分段弹性模型的试验技术,并给出了船舶波浪载荷预报方法和模型试验研究现状和发展趋势。作为一个自然的发展趋势,船舶水动力学的发展方向是从频域转向时域、从切片理论转向完全三维理论、从线性转向非线性以及从势流转向粘流。船舶波浪载荷模型试验目前广泛采用只模拟一阶垂向振动频率的均质梁来开展试验。     

8000kW救助船规则波下的运动与波浪载荷预报

随着数值计算技术的发展,船舶运动与波浪载荷预报精度也在不断提高。介绍了三维势流理论方法在规则波上船舶运动与波浪载荷预报中的应用,以8 000 k W救助船为例,预报了其运动与波浪载荷。通过应用三维势流理论,可以为船舶耐波性评估和结构设计提供依据。     

船舶航行时水动力系数求解二维半理论的稳定算法

给出一种基于高速细长体理论的预报排水型船在波浪上运动水动力求解的数值方法.在该理论的定解条件中,自由面条件是三维的,而控制方程和物面条件则是二维的,所以称为二维半理论.采用二维时域自由面Green函数将定解问题转化为船体切片上的积分方程,进而求解有航速下的船舶水动力问题.重点讨论了水动力计算的稳定算法.对ITTC建议的标准WIGLEY船型作了理论预报,并与DELFT大学的实验结果和用STF切片法的理论预报结果作了比较.比较结果表明,本文提出的二维半理论的预报结果与试验结果相当接近,而计算效率和切片法相当,且大大改善了理论预报的精度.     

大尺度结构船舶波浪线性载荷数值计算

在大尺度船舶结构设计过程中,为满足强度要求,需把线性波浪载荷考虑在内。在切片理论的基础上,计算波浪载荷数值,误差大,准确性低。针对上述问题,提出基于三维势流理论波浪载荷数值计算方法。根据三维势流理论定义给出该计算方法的假定条件,在此基础上,设计速度势方程,并利用格林函数法求解,计算在长期预报情况下的船舶线性波浪弯矩,完成波浪线性载荷数值计算。结果表明:基于三维势流理论的波浪载荷数值计算方法在准确性方面要优于基于切片理论的波浪载荷数值计算方法,误差减小0.4×106 Nm,基本完成了载荷精确计算的目的。     

基于三维势流理论的耐波性数值预报

准确预报船体运动响应对于砰击等波浪载荷的计算以及合理结构设计具有重要意义。船舶在大幅波浪中的运动呈明显的非线性,而现阶段耐波性预报多采用线性切片方法。三维水动力分析软件 WASIM基于时域势流理论,采用 Rankine面元法预报船舶在波浪中的运动响应,并考虑了多种非线性因素。本文以标模 DTMB5512为对象,采用 WASIM预报其在不同航速下的耐波性,并与基于线性切片理论的计算结果和模型试验结果进行对比。结果表明：利用 WASIM计算得到的船体运动响应比其他方法更接近试验值,合理体现了船舶在风浪中的实际耐波性能。因此,利用 WASIM能够较好地评估船舶在波浪中的非线性耐波特性。     

基于三维势流理论的耐波性数值预报

准确预报船体运动响应对于砰击等波浪载荷的计算以及合理结构设计具有重要意义。船舶在大幅波浪中的运动呈明显的非线性,而现阶段耐波性预报多采用线性切片方法。三维水动力分析软件WASIM基于时域势流理论,采用Rankine面元法预报船舶在波浪中的运动响应,并考虑了多种非线性因素。本文以标模DTMB5512为对象,采用WASIM预报其在不同航速下的耐波性,并与基于线性切片理论的计算结果和模型试验结果进行对比。结果表明:利用WASIM计算得到的船体运动响应比其他方法更接近试验值,合理体现了船舶在风浪中的实际耐波性能。因此,利用WASIM能够较好地评估船舶在波浪中的非线性耐波特性。     

粘性和航行姿态对高速船运动预报的影响

发展了基于二维半理论的预报排水型单体船在波浪上的水动力特征及运动性能的方法。采用横向流方法对常规高速排水型单体船所受的粘性影响进行修正。在考虑粘性影响和航行姿态的条件下,对NPL系列单体船和SER IES64单体船型的运动性能作了理论预报,并与船模试验结果和势流理论预报结果作了比较。结果表明:考虑粘性影响能够在一定程度上降低高速常规排水型船舶运动预报的峰值,而航行姿态对其影响不大。     

迎浪状态下高速双体船的运动响应计算

给出一种基于切片理论的预报高速排水型船在波浪上运动性能的数值方法。在切片理论的定解条件中，自由面条件是三维的，而控制方程和物面条件则是二维的。采用时域自由面Green函数将定解问题转化为物面上的积分方程，进而求解水动力系数和船舶运动方程。对NPL系列单体船型的运动性能作了理论预报，并与实验结果和用切片法的理论预报结果作了比较。结果表明，切片理论在航速低的情况下预报结果与试验结果更为接近，由于受到纯二维假定的限制，在高航速情况下预报精度较差。     

多功能支持船波浪载荷研究

波浪载荷研究是船舶性能预报和结构安全评估的关键内容。文中利用势流理论直接数值求解多功能支持船遭受的波浪载荷(包括一阶波频力和二阶漂移力),利用统计方法得到波浪载荷的长期预报和短期预报极值,包括波浪总纵弯矩和垂向波浪剪力以用于后续的船舶整体结构安全评估,以及纵向漂移力、横向漂移力和首摇漂移力矩用于船舶的动力定位能力分析中。研究结果表明:求解波浪载荷的势流理论方法精确,能为后续的船舶性能预报和结构安全评估提供可靠的载荷输入。     

船舶表面点砰击压力的预报方法

本文基于线性切片理论,结合船舶在波浪中运动时历的数值模拟方法,考虑船舶表面点的运动与波浪的相位关系,给出了船舶表面点的入水速度的预报方法,再运用二维剖面入水砰击压力与入水速度之间的关系,对船舶表面入水点的砰击压力进行了预报.最后,给出了一条船的计算实例.     

水面舰船迎浪航行时大幅运动预报的切片算法

将预报船舶运动和波浪载荷的切片理论加以扩展，应用于有限深水中船舶迎浪航行时大幅纵向运动和波浪载荷的时域求解。预报结果体现出考虑了湿表面及化后引起的船舶运动和受力的非线性性质。本计算方法简便、实用，适用于船舶纵向大幅运动预报。     

Global wave loads on intact and damaged Ro-Ro ships in regular oblique waves

A nonlinear time-domain simulation method is presented for the prediction of dynamic global wave loads on a Ro-Ro ship at zero speed in regular oblique waves in an intact and a damaged condition. Numerical computations and model tests have been carried to investigate the structural responses of Ro-Ro ship Dextra to various wave amplitudes at three different wave headings (DTR-4.1-NEW-12.98, DEXTREMEL project BE97-4375, 1998; DTR-4.2-NEW-11.99, DEXTREMEL project BE97-4375, 1999). The results of numerical and experimental investigations for stern quartering waves are reviewed. Comparisons between predictions and measurements for global wave loads at the midship section of the intact and the damaged Ro-Ro ship show that the agreement between the theory and experiment for dynamic horizontal and vertical bending moments is excellent. On the other hand, correlation between the predictions and measurements for dynamic vertical shear force is better than that for dynamic horizontal shear force. Nevertheless, the calculated torsion moment values are higher than the measured values. As the wave amplitude is not small, the positive and negative peaks of global wave loads are no longer equal to each other as found in both the calculations and experiments. The dynamic vertical global wave loads in the damaged condition are larger than that in the intact condition.     

集装箱船整船结构三维有限元强度分析方法研究

以3800TEU集装箱为例，用二维切片理论进行了波浪长期预报，并在此基础上导出等效波组，在整船结构有限元模型上计算船体结构在各等效波上的变形和应力分布。文中叙述的整船结构有限元分析方法，也可以用于其他类型船的整船结构分析。     

采用Green-Naghdi方程和有限元法计算浅水船波

采用波动方程／有限元法求解Green-Naghdi(G-N)方程计算船舶在有限水深区域的兴波和波浪阻力。把行驶船舶对水面的扰动作为移动压力直接加在Green-Naghdi方程里，以描述运动船体和水面的相互作用，并经此来计算不面波动、船底水动压力和波浪阻力。G－N方程比浅水方程增加一个非线性的频散项，以补充有限水深对浅水船波的影响。采用随船运动网格的有限方法，以Series 60 CB=0.6船作为算例给出浅水船波的计算结果，并与浅水方程的结果进行了比较。计算结果表明，当船速小于临界速度时，由于频散的影响，G－N方程级出的船后尾波波高比浅水方程的结果大，同时波浪阻力也比浅水方程的结果有所提高。当船速大于临界速度时，G－N方程的计算结果与浅水方程基本相同，频率散射无明显影响。     

A comparative study on 3D wave load and pressure computations for different level of modelling of nonlinearities

This paper presents a comparative study on the vertical bending moment and pressures between different levels of modelling of nonlinearities based on a 3D time-domain solution scheme. The basic solution method and its successive extensions to model the nonlinear effects are similar to the code LAMP and its various versions [Lin WM, Meinhold M, Salvesen N, Yue DKP. Large amplitude motions and wave loads for ship design. 20th ONR Sym. on Naval Hydrodynamics, Washington D.C.: National Academy Press; 1994. pp. 205–226] although their numerical implementations may differ in details. Results are presented for a large tanker hull and the S175 container hull. It is found that the predictions from the different levels of computations may differ considerably, particularly for the pressures. In general the level 2 computation, which considers modelling of only the nonlinear Froude-Krylov and hydrostatic effects, over-predicts the loads and pressures compared to the most advanced ‘body-exact’ level considered in this paper, where the nonlinearities in the diffraction effect are modelled within certain approximations.     

水深对三体船运动和波浪载荷的影响

利用三维势流理论和简单格林函数计算了迎浪航行时不同航速和不同水深组合下的波浪运动响应和载荷传递函数,研究不同水深和航速组合对三体船的波浪运动响应和波浪载荷的影响,并对船舯垂向弯矩和舯后1/4船长处剪力进行了长期预报.将预报值与规范值进行比较,结果令人满意.计算结果表明三体船在不同水深下航行时,水深对其运动响应和波浪载荷都会产生显著影响.     

有限水深中破损船舶的运动与波浪载荷研究

由于有限水深中船舶搁浅和触礁等严重破损事故频发,为了减少事故的发生,对有限水深中船舶破损后的运动及波浪载荷的研究显得十分必要。文章基于三维势流理论,引入有限水深自由面Green函数,在频域内使用奇点分布法对一艘首部破损进水的散货船在有限水深中的运动与波浪载荷展开了计算,并根据劳氏船级社规范做了短期预报。短期预报结果表明,该散货船破损进水后,船体所受垂向和水平波浪弯矩均比破损前有明显增加,且在较浅水深中变化更为显著。     

基于切片理论的波浪载荷直接计算

提出了波浪载荷直接计算方法。该方法基于线性切片理论,在频域范围内进行。通过水动力分析得出波浪载荷的响应幅值算子,采用统计方法对波浪载荷进行长期预报,并将线性波浪载荷预报结果进行非线性修正,以模拟实际波浪载荷的非线性效应。最后以某一船型为例,结合IACS推荐的波浪谱和波浪散布图以及超越概率,采用该方法进行了计算并将计算结果与规范值进行了比较。     

船体在波浪中的非线性水动压力

本文提出了一个预报船体在波浪中大幅运动时非线性水动压力场的二维时域理论。船体扰动势用时域自由面格林函数和在入射波下的瞬时湿表面上的分布源求解；与非线性水动压力场相匹配的船体运动用差分法求得。为提高计算效率和避免数值过程发散，采用了改进的数值模型和方案。通过线性理论计算与模型试验结果的比较，指出了线性切片理论在预报水动压力场时的不足，水动压力与波高的非线性关系及正负水动压力沿船体表面的分布在Wigley船的计算比较中得到了说明。初步计算表明，该理论的实用化发展前景是令有鼓舞的。相应的计算机程序可在PC机上运行。