虬船舶甲板上浪横摇的时域模拟.pdf

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第3期(总第122期)中国造船No．3($erialNo
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虬船舶甲板上浪横摇的时域模拟

(上海交通大学)

提要
嵌怒本文应用数值模拟方法，计算了一艘中型船舶在规则渡及随机波中，考虑甲
上浪和不计上浪两种情况下的横摇运动。为了考察初稳心高度在计及和不计
甲板上浪两种情况下的影响，考虑了三种不同的韧稳心高。计算结果表明．对于
横摇运动，计及上浪靶不计上浪，在高波浪情观下会有较大差异．特别对具有小
初穗性船的情况，板上浪会导致倾覆。这说明对小型船舶，甲板上浪这一因素，
在船舶的安全性中是必颁考虑的。

(一)概述

甲板上浪引起的船舶倾覆同题，长期来就已引起人们的注意，特别是对渔船等一类宽
甲板、低干舷、高舷墙的工作船。海难事故分析表明，甲板上浪是一个重要因素。虽然如此，
这一闻题的研究，由于其复杂性，进展不大。曾经有人提出过一些简化的研究方法，但结果
都不够理想，主要是不能反映出问题的动态特性。到80年代初期，由于大型计算机的发
展，数值方法日益推广，发展了一些比较成功的考虑甲板上浪横摇的数值模拟方法，其中，
最成功的是Dillingham提出的时域计算法。在甲板上水的运动计算中，他根据极浅水波
理论，得到了描述甲板水运动的微分方程，并成功地应用Glimm的随机选取法求解这一
方法可以比较全面地计入甲板上水对横摇运动的动力影响。作者在前阶段的研究工作中，
编制了这一方法的计算程序，目前已可用于实际计算。为了对这一方法进行考核，以及进
㈣一步考察甲板上浪对船舶横摇．特别是船舶安全性的影响，本文对一艘中等大小的船舶，
应用这一程序进行了计算。考虑到初稳心高对横摇性质有重大影响，在计算中改变初稳心
高度，计算了三种1：同初稳心高的情况。由于至今比较准确可靠的甲板上浪横摇的试验资
料不多，80年代初日本曾有一些研究资料发表，但大多是影片或录像．故难以作定量考
核，但从定性上看．其基本现象和本文数值模拟结果还是比较符合的。本文计算结果表明，
甲板上浪对船舶横摇有显著的影响，且与初稳心高有密切关系。此外，由于甲板上浪引起
船舶横倾，最后可能导致倾覆．而相对应的不计甲板上浪的计算中，则未出现上述现象。这
说明在考虑船舶稳性时，应该计入这一因素。

本文于1992年5月5日收到

第3期(总第122期)黄~~-II辞：略舶甲板浪横摇的时域博拟

(二)计钟．疗法简介

由于本文主要目的是介绍计算结果．并对结果进行讨论．故不详细介绍计算方法．但
为了叙述的完整和便于分析结果．在此对计辫：的基本方法作一简略的敏述，其细节可参阅
有关文献[1．2]，
整个计算在时域内进行．为此主要是直接积分1列时域IIIi运动微分方程：

．．．
。i：{、．．)．，十JIK(一r)^(r)dr(’．(r)一Fm“】十F(r)(1)

式中jr⋯第模态运动
O-一第j模态运动在i方向的质量系数；
k．(r)——第，模态运动在i方向的时延函数；
F一(f)——第i模态方向的波浪干扰力；
F()——第i模态上的甲板水力及力矩。
上述方程中的系数．除与船体直接有关的质量系数蛙计者给出外，时延函数K．()
由时域Green函数用紧密拟合法解出，波浪干扰力()及复原力c，()则由每一时刻
船体位罱及其与波浪的相对关系直接算出。为了简化．在计算中应用了切片法。此外．除
复原力外，水动力只算到平均水线，复原力计算时．应用了三阶多项式拟台稳性曲线，可以

一·直拟台到稳性消失角。作者采用的水动力时延函数法．可以容易地扩展到计及大横摇摇
幅的情况。甲板水的运动用极浅水渡方程描瓤。

I¨^
十一一：十．

(^)矗^
一一而
式中一甲板上某点沿甲板宽度方向水平流速，为沿宽度Y的函数{

一甲板上某点水位高；
“_-_计入垂荡加速度的表观重力加速度；
，一～作用于甲板水上的由于船舶运动引起的外力。
此一方程经离散后．用差分法求解。Dillingham采用了辩。子分离法，将问题为两步：
第一步为一Riemann问题，可用破坝问题的解析解结合Glimm的随选取法求出其在
给定初始条件和边界条件下的解；再在时间七步进计入方程右端项的影响
整个计算在一台AST486上进行。对一个约包含300步长的时历，计算约耗时3o分
钟左右

(三)计算船型及计算方案

计算采甩一艘中等大小的船型．其主尺度如下：
’船长：61．5m
船宽：8．26m

吃水：3．8m
排水量：1062t
干舷：0．5m
舷墙高度：lm
重心高度：2．3m
横惯性系数：7．453×10kg·n】
图1为陵船横削面曲线蔼

司}越荆删曲线【到
弘JbJ九峨墙t曲线．HI一三次多项式表示，可以模拟到倾覆角(稳性消失角)时