在“三姐妹”波浪中，利用CFD-FEM方法对船舶水弹性特性及砰击载荷进行模拟

《Marine Structures》：CFD-FEM simulation of ship hydroelasticity and slamming loads in "three sisters" waves

　　

陈帅|司海龙|顾学康|卜淑霞|蒋彩霞

中国船舶科学研究院，无锡214082，中国

摘要

本研究聚焦于极端海况下异常波群对船体结构完整性的威胁现象，采用CFD-FEM流固耦合方法数值模拟了一艘超大型集装箱船在连续波作用下的运动响应和波浪载荷。首先，基于线性叠加理论建立了一个能够生成具有可控时间和位置的“三姐妹波”的数值模型。然后，使用STAR-CCM+对五种不同波幅序列进行了数值模拟，重点分析了船舶运动的最大响应和不对称特性、截面载荷、船首砰击以及绿色水压力。结果表明，波群显著放大了船舶的运动响应。加速度的主要高频分量与船体梁的湿模态频率对齐，表明存在明显的弹簧效应。船体梁的弯矩和剪力表现出明显的下挠-上拱不对称性。砰击载荷主要集中在船首锥部和前甲板上，且显著依赖于波幅序列。本研究为评估船舶在极端海况下的动态结构响应提供了一种可靠的数值方法和机理洞察。

引言

随着现代船舶规模和速度的不断增加，以及高强度钢材的广泛使用，由于船体自然频率降低而引起的水弹性振动问题变得越来越突出。弹簧效应和鞭打载荷对超大型集装箱船的结构响应有显著影响[1]。大多数关于船舶水弹性和砰击载荷的研究都集中在规则波和长峰不规则波上。然而，根据Ekaterina的统计[2]，2005年至2021年间共记录了429起异常波事件，导致102艘船舶受损，其中55艘沉没。值得注意的是，在极端海况下航行时，船舶不仅可能遇到单个极端波（例如异常波），还可能遇到由多个异常大波连续发生的波群。因此，研究这种异常波群内的波幅变化对船舶水弹性响应和砰击载荷的影响对于研究实际海洋中船舶遇到的极端事件具有重要意义。

波群是研究随机波的重要方法和手段，但其形成机制仍缺乏统一的理论解释。学者们提出了各种理论来解释其原因。Nolte和Hsu[3]将波群定义为“一系列高波”。Goda[4]将其描述为一系列高波，其长度由超过特定高度阈值的连续高波的数量来衡量。Yu[5]总结了波群的研究方法，主要包括波包理论、运行长度统计和波能包方法。这些方法常用于研究波群的发生频率、持续时间、包含的波数以及表征波群特性的各种参数。由于数值模拟波群的复杂性，关于船舶在这种极端波条件下的运动和波浪载荷的研究仍然相对有限。

近年来，越来越多的国内外学者开始研究各种海上平台在“三姐妹波”作用下的运动响应。根据参考文献[6]的定义，“三姐妹波”是指由三个连续的异常大波组成的高度破坏性波序列，代表了典型的波群现象。这种极端波具有能量集中和连续作用的特点，对船舶的稳定性、结构强度和航行安全构成严重威胁。迄今为止，关于船舶在异常波中的响应的研究已经积累了许多成果，涵盖了二维（2D）畸形波下固定船甲板上的绿色水载荷[7]、船舶结构上的波浪载荷[8]、船舶模型的水弹性响应[9]以及不同速度下的运动响应[10]等领域。然而，文献中尚未报道专门针对波群作用下船舶水弹性和砰击载荷的研究。

Voronovich[6]研究了畸形波序列中“相邻波”高度对平台运动的影响，发现随着这些相邻波高度的增加，平台的俯仰和纵摇响应幅度也增加，尽管平台运动的峰值对相邻波高度的变化反应相对缓慢。Shenn[11]对在500米水深下运行的半潜式平台进行了时域耦合分析，比较了其在“三姐妹波”和单个畸形波作用下的运动响应，并分析了焦点位置、谱峰周期、有效波高和波峰等参数的影响。Deng[12]研究了波群特性（包括不同的最大波峰幅度和连续大波之间的时间滞后）对半潜式平台运动的影响。然而，现有研究中使用的“三姐妹波”主要基于线性叠加模型，尚未考虑连续波高度的时间和间距调制方法。

将计算流体动力学（CFD）求解器与有限元方法（FEM）结构分析求解器相结合的耦合方法已被验证可用于模拟各种波条件下的船舶水弹性响应，包括规则波[13]、长峰波[14]、短峰波[15]甚至2D畸形波[16]。鉴于现有的CFD-FEM方法尚未应用于研究超大型集装箱船在极端波群作用下的波浪载荷，本文旨在开发一种在CFD求解器内生成“三姐妹波”的有效方法。利用CFD-FEM双向耦合技术，对一艘20,000 TEU的集装箱船进行了模拟，分析了连续波幅变化对船舶运动、截面载荷、船首砰击和绿色水压力的影响，同时揭示了超大型集装箱船在极端波群下的载荷响应的不对称特性以及弹簧效应和鞭打现象的机理。

章节摘录

超大型集装箱船

为了研究波浪引起的弹簧效应和砰击引起的鞭打效应对船体结构的影响，中国船舶科学研究院（CSSRC）启动了一个名为“20,000 TEU集装箱船弹簧响应的比较研究”（CSSRC-20,000TEU）的国际联合工业项目（JIP）[17]。该项目涉及近20个参与机构，包括BV、ABS和CCS等船级社以及哈尔滨工程大学等高校

“三姐妹波”的基本理论

在自然波条件下，遇到异常规则波的概率极低。传统的畸形波模型[30]通常将波能分配在不规则波列和单个聚焦波序列之间。根据这一概念，本文提出了一种

CFD-FEM计算的验证

模型测试在中国船舶科学研究院（CSSRC）的耐波水池中进行。测试装置包括一个U形测量梁，用于同时模拟20,000 TEU集装箱船的垂直、水平和扭转刚度以及剪切中心位置[24]。该梁由ABSPC材料制成，杨氏模量E = 2.195 GPa，剪切模量G = 978.7 MPa。

图12展示了测量弯矩的布置

船首砰击

图25展示了案例1和案例3下船首表面的砰击压力分布特征。总体而言，砰击压力在船首锥部和底部区域呈现出显著梯度，最大压力集中在水线以上的锥部区域。尽管两种情况下的压力分布模式大致相似，但案例1中的高压区覆盖了更大的面积，表明结构承受了更多的

结论

本研究扩展了CFD-FEM流固耦合数值方法，用于分析20,000 TEU超大型集装箱船在“三姐妹波”作用下的水弹性响应和砰击载荷。它研究了连续波幅变化对船舶运动、截面载荷和砰击载荷的影响。主要结论如下：

(1)

基于线性叠加理论构建的“三姐妹波”群数值模型有效地模拟了目标

CRediT作者贡献声明

陈帅：撰写——原始草案、方法论、调查。司海龙：验证。顾学康：监督。卜淑霞：撰写——审阅与编辑。蒋彩霞：监督、项目管理。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了中国船舶科学研究院的稳定支持研究项目（编号：WDZC70202030201）和国家自然科学基金（编号：52422109）的支持。