讲座回顾： 船舶砰击载荷与结构响应

华南理工大学土木与交通学院海外学者前沿讲座第五十三期，我们邀请到来自葡萄牙里斯本大学的助理教授王珊博士。本次讲座中，王老师向我们介绍了船舶砰击现象以及砰击引起的船体结构响应。

首先，王老师向我们介绍了几种常见的砰击类型。第一种是船底砰击，一般是指由于巨大的船舶垂向运动，船体底部出水再高速入水的过程。第二种是船首外飘砰击，主要是船体首部与波浪的高速碰撞。第三种是碎波砰击，在海洋结构物中比较常见。最后是甲板上浪。王老师的研究主要集中于船底砰击和船首外飘砰击。

在砰击反复发生之后，船底局部会产生巨大的冲击力，这会造成局部结构的破坏或对整体结构响应有很大的影响，例如产生瞬态的波激振动，产生巨大的弯矩，从而对结构的强度有影响。王老师介绍到，目前已经有很多砰击引起船舶破坏和海洋事故的例子，如图2所示，渡轮中船体首部和波浪的反复碰撞导致船首的脱落；第二个例子是五年的集装箱船由于巨大的波激振动，导致船在运行过程中断裂成两半，产生了巨大的损失；最后是FPSO出现了明显的凹陷，这就是由于波浪的反复砰击。这些例子告诉我们，准确预报船体砰击载荷对于船体结构的设计与安全评估至关重要。

目前关于砰击的研究课题主要集中在三个方向：砰击现象出现的情况和发生概率、砰击载荷的预测方法和砰击引起的结构响应。针对第一个问题，王老师介绍到一般采用统计的方法估算砰击发生的概率。一个砰击事件的发生需要满足两个条件：船体有出水和入水的过程；船体入水的速度大于一个临界值。根据这两个条件，可以分析得到船舶相对于波浪的运动和垂向的速度，计算出上述两个条件联合发生的概率，从而得到船舶纵向各个位置发生砰击的概率。

接着，王老师介绍了砰击载荷的预测方法，采用了解析解、数值模拟以及模型试验的方法进行研究。传统的解析解方法采用切片理论，即船舶被切割成许多的二维切片，利用二维方法计算出二维切片的水动力系数，受到的波浪力，和船舶在波浪中的运动。砰击载荷的计算最初也是采用了二维的方法。1929年，Von Karman提出了楔形体入水模型，该模型未考虑结构在入水过程中的液面升高；1932年，Wagner在此基础上改进了该模型，考虑了液面的升高。

在数值模拟上，王老师采用了ALE有限元方法，将结构模拟成拉格朗日单元，将流体（水和空气）模拟为多物质的欧拉单元，两者之间用罚函数进行耦合。下图展示了由模拟得到的船首入水过程中液表面的升高和压强分布的变化。同时，王老师将模拟得到的砰击载荷和试验结果进行对比，发现不同砰击角度和速度下的模拟结果都比较好。但是，ALE方法虽然能很好的预测结构入水初始阶段的砰击力，但是该方法比较适用于瞬态分析及简单的结构。为了计算复杂船体结构的砰击，王老师还采用了OpenFOAM来计算。王老师模拟了二维和三维楔形体入水的情况，对比了不同截面的砰击压强和整体的砰击压力，考虑了不同的入水速度，王老师发现三维的结果比二维的结果低25%，这表明在船体首部和尾部的计算中，需要考虑三维效应的影响。

基于前面的方法，王老师提出了一个数值方法计算船体结构的砰击概率和载荷。该方法首先采用非线性时域程序计算船舶在不同船速和波浪环境中的运动，通过运动计算出相对于波浪的垂向位移和速度。基于砰击发生的两个条件，可以得到不同横截面产生砰击的概率。然后选取砰击概率较大的部分，运用ALE方法或解析解可以得到不用入水速度下的砰击载荷。王老师以一艘化学品船为例，通过试验验证了所提出的计算方法。

此外，王老师向我们介绍了用解析方法计算砰击载荷引起的局部结构响应。王老师以复合板与波浪的砰击为例，详细介绍了计算的细节。在复合板与水面砰击的一瞬间，板上受到了随时间变化的均布压力。通过正交薄板理论，建立方程，通过模态叠加方法可以计算得到板与水面砰击过程中的响应。王老师采用两种脉冲形式，对比了解析方法与数值模拟结果，发现两者比较相近。此外，为了研究水弹性响应，王老师采用了ALE模拟了复合板入水的过程，发现结果良好。

最后，王老师对采用数值和试验方法预报砰击载荷中的不确定性问题的研究进展进行综述。通过不确定性分析，我们可以得到大致的区间，从而可以很好的与试验结果进行对比，王老师针对不确定性做了一些计算，第一个是关于CFD计算过程中的不确定性分析。以球体入水为例，王老师采用了两种开源的计算方法，都采用了同样的边界条件，水域，初始条件和离散条件。王老师采用了四种离散条件，得到四个模型，分别计算其收敛性和不确定性。将模拟得到的竖向位移、速度和砰击载荷与试验值进行对比，完成validation，而后对比了四种不同模型下的时域结果，用泰勒图表计算出收敛性，表明模拟结果收敛性良好。然后，王老师根据ITTC推荐的不确定性计算方法，分析了模拟结果，根据结果发现模拟结果收敛。此外，王老师还评估了试验随机的不确定性，同样采用了化学品船的例子，针对不同波况进行了5次试验，结果发现试验结果与数值结果吻合较好。对比5组试验结果的峰值，可以发现试验数据偏大时出现较大误差，即不确定性增大。

王老师的讲座深入浅出，向我们展示了她们课题组围绕船舶砰击这一问题开展的一系列研究。通过讲座，王老师不仅向我们介绍了研究成果，更展示了她在开展课题研究中的研究思路和研究方法，这值得我们学习。

更多详情请参阅：

https://fenix.tecnico.ulisboa.pt/homepage/ist170910/apresentacao

讲座录播链接：【The SIR Frontiers】学术前沿系列讲座第五十三期：“船舶砰击载荷与结构响应” 

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来源于多样化结构实验室VSL

撰写：解兵林 姚显花 毛炜宁

排版：李嘉晨

审核：胡  楠