摘要：本文对一条国内近海双体风机安装船采用西北太平洋国内近海区块和北大西洋No.34区块(CCS规范中的规定)波浪散波图的直接计算波浪载荷进行对比研究，确定两者计算结果的差异，为国内近海船舶波浪载荷直接计算提供一条新的途径。

关键词：直接计算，波浪载荷，散波图

1 引言

中国船级社《钢质海船入级规范(2009)》[1]第2篇第2章第2节2.2.1.2中的规定：满足船长L和船宽B比值L/B＞5、船宽B和型深D的比值B/D≤2.5和方形系数CB＞0.6时的船舶，可以适用该规范。而我公司设计的双体风机安装船的船长L=90m、船宽B=50m和型深D=6.8m，其L/B=1.4＜5、B/D=7.4＞2.5，不能满足规范要求，因此本船航行工况的波浪载荷需要采用直接计算的方法确定，并应提交中国船级社(CCS)审批。

1.1 计算装载工况

本文所计算的双体风机安装船装载工况取自各种装载情况稳性计算书[2]中的工况，以下以100%油水航行工况LOAD1为例对该工况应用不同波浪散波图所计算的波浪载荷进行对对比分析。

LOAD1为双体风机安装船100% 油水航行时的工况，该工况设计吃水为4.5m，排水量为12520t。

1.2 HYDROSTAR 软件和FATA软件简介

双体风机安装船在波浪中的运动响应和波浪载荷响应及长期预报采用三维势流挠射/辐射软件HYDROSTAR和谱分析长短期预报软件FATA。

HYDROSTAR软件是用于评估海上结构物一阶及二阶波浪载荷和运动响应的三维挠射/辐射软件，它是预报物体在有限和无限水深情况上波浪相互间作用来解边界值问题的面元程序。它假定流体是无粘、无旋有势的，假设波幅与波长比是小量，这样可解决线性边界值问题，通过假定物体停留在其平均位置，物体的振荡幅值与波幅是同量。

HYDROSTAR 集成了较新的理论和算法，通过分析研究并与试验对比，是已经获得CCS船级社认可的一种数值预报工具。图1.1为HYDROSTAR软件计算界面。

图1.1 HydroStar软件界面

FATA软件是船舶运动响应及船舶波浪载荷响应作长短期预报的软件。该软件界面如图1.2所示。

图1.2 FATA软件界面

1.3 计算方法及海浪谱[3] 

1.3.1 计算方法

波浪运动和波浪载荷使用三维线性理论进行计算。

1.3.2 海浪谱

海浪谱采用下述P-M谱：

式中：   —— 组合波与主浪向的夹角，rad；

  —— 能量扩散函数；

—— 有义波高, m；

—— 海浪跨零周期，s；

—— 波浪圆频率，rad/s。

2 航行工况波浪载荷计算

根据《散货船结构强度直接计算分析指南》[3]的要求对双体风机安装船航行时装载典型工况LOAD1的波浪载荷运用长期预报的方法进行计算和分析。其海浪长期统计资料应用CCS海况(No. 34 Standard Wave Data)，即北大西洋区域内的海况波浪统计资料，进行波浪载荷长期预报时，认为对应每一周期的波高呈“瑞雷(Rayleigh)”分布，航向属于均匀分布，所有计算波浪弯矩和波浪切力时取航速为0节，其概率水平取为10-8。

按照全球最严重的海域——北大西洋海区的波浪散波图进行计算，概率水平达到10-8，它表示本船需要长期航行(约二十年)于该海区，由此可知这样计算的波浪载荷是非常严重的，即使是按照CCS规范中对I类海区折减5%的要求，所计算的波浪载荷的数值也是相当可观的。因此，可认为北大西洋海区的选取的要求是非常苛刻的，针对我国国内近海的特点，非常有必要按照我国近海海区的波浪散波图作为计算的标准。

本船的船级符号为R1，航行于中国近海，鉴于此，本船的波浪散布图拟采用中国国内近海区的波浪长期统计资料作为波浪载载荷计算的依据，具体采用的波浪资料为我国学者方钟圣等在1996年出版的《西北太平洋波浪统计集》[4]中的波浪长期统计资料，该资料是根据长达30年的国内外船舶资料约800万条数据，采用了改进的波候综合模式进行数据处理后得到的。作者还利用了日本浮标站十多年的器测波浪长期数据和风速与波高联合分布资料确定模式中的参数，并检验了该资料的可靠性。因此，它可以作为我国近中海海域内工程实用的海浪资料。

图2.1为西北太平洋海区区域划分图。

图2.1 西北太平洋海区区域划分图

从图2.1中可知，中国近海的区块分别为S1、S2、S3、E1、E3、E5、Y1、Y2、E2、E4、S4和NW13共十二个海区区块。本文通过对双体风机安装船航行时的典型装载工况LOAD1在S1、S2、S3、E1、E3、E5、Y1、Y2、E2、E4、S4和NW13共十二个区块及北大西洋NO.34区块的垂向波浪弯矩(以下简称波浪弯矩)、波浪扭矩及垂向波浪切力(以下简称波浪切力)进行计算对比分析。图2.2 为北大西洋NO.34区块全年统计波浪散波图，由于西北太平洋区块较多，本文只给出了E2区块的波浪散波图，图2.3为西北太平洋E2区块全年统计波浪散波图。

图2.2 北大西洋NO.34区块全年统计波浪散波图

图2.3 西北太平洋E2区块全年统计波浪散波图

2.1 计算网格模型

本文双体风机安装船航行时的典型装载工况LOAD1的水下船体网格数划分了3872个。

图2.4显示了双体风机安装船航行时的典型装载工况LOAD1的水下船体网格图。

图 2.4 双体风机安装船航行时的典型装载工况LOAD1的水下船体网格图

2.2 输入参数

表1为双体风机安装船航行典型装载工况波浪载荷输入参数。

表1 双体风机安装船航行时的典型装载工况LOAD1的波浪载荷输入参数

2.3 双体风机安装船航行工况波浪扭矩、波浪弯矩和波浪切力的传递函数

图2.5至图2.7分别为双体风机安装船航行时的典型装载工况LOAD1相应剖面的波浪扭矩、波浪弯矩和波浪切力的传递函数。

ω(rad/s)

图2.5 船体第11剖面的波浪扭矩传递函数

ω(rad/s)

图2.6 船体第11剖面的波浪弯矩传递函数

ω(rad/s)

图2.7 船体第36剖面的波浪切力传递函数

2.4 长期预报极值 

双体风机安装船航行时的典型装载工况LOAD1下各船体剖面波浪弯矩、波浪扭矩和波浪切力长期预报极值如图2.7所示。

图2.7 航行时的典型装载LOAD1工况下各船体剖面波浪弯矩、波浪扭矩和波浪切力长期预报极值

表2为双体风机安装船航行时的典型装载工况LOAD1在西北太平洋十二个海区区块和北大西洋NO.34区块的波浪扭矩、波浪弯矩和波浪切力长期预报极值(概率水平10-8)。

表2中，波浪扭矩Mx单位为t*m，波浪纵向弯矩My单位为t*m，波浪垂向切力Fz单位为t。

表2 双体风机安装船航行时的典型装载工况LOAD1各海区波浪载荷长期预报极值(概率水平10-8)

6 总结

   根据钢规2009[1]第2分册第2篇第1章第8节有限航区1.8.3节中有关船舶总纵强度的描述如下：对船中最小剖面模数值、波浪弯矩值和波浪切力值可按下述要求减小[1]：

(1) 在1类航区内航行的船舶减小5%；

(2) 在2类航区内航行的船舶减小10%；

(3) 在3类航区内航行的船舶减小15%；

如果按照上述规定，本船航行工况LOAD1的波浪载荷需要按照北大西洋波浪散波图直接

计算，然后按照1类航区内航行的船舶减小至95%。而按照西北太平洋国内近海十二个海区区块的波浪散波图直接计算波浪载荷的结果从表2中可以看出其波浪扭矩减小至75.40%，波浪弯矩减小至84.6%，波浪切力减小至87%。这种计算方法对船舶总纵强度计算或者全船有限元分析的波浪折减是非常可观的，而且也应该是实用可行的，它可以通过全船有限元分析全面地优化船舶结构设计。

7 展望

本文只是针对双体风机安装船应用不同海区区块的波浪散波图的波浪载荷直接计算对比研究，没有开展对其它船型的计算对比研究，因此，目前还只是个个案，还需要对各种不同类型的船舶进行计算对比研究，使我国国内近海船舶的波浪载荷计算方法可以按照本文的方法写入规范中，这对我国国内船舶的总纵强度的设计具有非常重要的意义。

参考文献

[1] 中国船级社，钢质海船入级规范2009第2分册[M].人民交通出版社，2009年8月。

[2] JH989-101-01 RevA 各种装载情况稳性计算书[R].2011年7月。

[3] 中国船级社，散货船结构强度直接计算分析指南[M]. 人民交通出版社，2003年5月。

[4] 方钟圣,金承仪,缪泉明. 西北太平洋波浪统计集, [M]. 北京：国防工业出版社,1996。

[5] 陶尧森，船舶耐波性[M]. 1996,上海交通大学出版社。