基于SESAM的远洋秋刀鱼船波浪载荷预报

杨子恒，谢永和

(浙江海洋大学船舶与机电工程学院，浙江舟山 316022)

船舶是在波浪环境中作业营运的，对作用在船体上波浪载荷的计算是评估整船强度安全的前提，也是设计耐波性良好船舶的基础[1]。目前，对于大中型船舶波浪载荷的计算，可采用CCS的相关规范[2]对波浪弯矩和剪力等参数进行公式计算，但是对中小型船舶尤其是中小型的远洋渔船波浪载荷的计算还未有相应的规范计算。而目前，利用有限元软件对整船的结构强度进行分析与评估已较为成熟，国内已有不少学者通过各类方法预报船型的波浪载荷，并通过设计波法确定船型受到的波浪载荷，进而利用通用有限元软件对船型的整体强度进行研究和分析[3-7]，但是对于渔船这类特殊船型直接计算和研究还较为少见。因此，有必要对中小型远洋渔船的波浪载荷长期预报进行计算与研究，为中小型远洋渔船船型的结构强度计算提供参考。

本文以53 m远洋秋刀鱼船为研究对象，利用SESAM软件[8-9]并选择航行作业区域的西北太平洋波浪谱对其进行了波浪载荷水平弯矩和垂直弯矩两个控制参数的长期预报，分析了不同装载情况、浪向角等对预报值的影响。

1 目标船型和水动力计算模型

本船为钢质、单层甲板、双层底、单机、单桨、艉机型船型，主要在西北太平洋海区从事秋刀鱼捕捞作业，其主要参数见表1。

表1 船型主要参数表Tab.1 The main dimensions and parameters of ship

采用SESAM的GeniE模块建立目标船型的水动力模型，X方向指向船首，Y方向指向船体左舷，Z方向垂直向上，坐标原点位于艉垂线和基线的交点，肋骨间距0.50 m，如图1所示。

图1 湿表面模型Fig.1 Panel model

图2 质量模型Fig.2 Mass model

同时通过对船型内各种重量的模拟建立质量模型，并对照实船装载计算书和实际船舶的重量分布资料调整模型的重心和重量，使整船模型质量与船舶静水浮态相匹配，如图2所示。

2 载荷预报的参数选择

2.1 计算剖面的选择

本文主要研究渔船船体纵向方向上横截面处的弯矩等船体端面外载荷，选取了24个横截面，选取剖面的位置如图3所示。

图3 横截面位置Fig.3 The locations of load cross sections

2.2 波浪散布图的选择

在波浪载荷的预报中，我们通常根据目标船型的实际作业海域来选择合适的波浪统计资料来作为船型运动响应的海浪环境参数。本文波浪载荷预报海况采用西北太平洋海域中海况最严重的海区NW15(160°-170°E，35°-60°N)的海浪长期统计分布资料[10]。

2.3 波浪参数的选择

2.3.1 浪向角的选择

在计算波浪载荷响应过程中，在0°～180°的范围内选取13个浪向角，其间隔为15°，每个浪向均有0.076 92的概率作用在船体上。

2.3.2 计算频率的选取

按照波长与船长比0.2～2.0的范围内选取，步长取0.05，共37个。波长则通过式(1)进行计算。

3 结果分析

根据目标船型的装载计算书及文献[11]，本文选取了丰收返港、捕鱼中、空载到港3个典型装载工况来分析研究秋刀鱼船的波浪载荷响应。

3.1 波浪载荷沿船长分布

图4和图5为利用西北太平洋NW15的波浪散布图进行波浪载荷预报后，波浪弯矩沿船长方向的分布情况。

图4 垂向波浪弯矩沿船长分布Fig.4 The distribution of VWBM along ship length

图5 水平波浪弯矩沿船长分布Fig.5 The distribution of HWBM along ship length

从图4可以看出，空载到港、捕鱼中、丰收返港工况的垂向波浪弯矩变化由艉至艏均呈现减小后增大再减小的趋势，在距尾垂线3 m左右出现了1个极小值。而最大值均出现在船中偏尾的位置，丰收返港工况的垂向波浪弯矩普遍比空载到港工况大，而捕鱼中工况的数值则基本位于两者之间。

而在水平弯矩的分布上(图5)，3工况弯矩的最大值所在的位置依次向艉部偏移。在船尾至0.20L范围内，捕鱼中工况的水平弯矩普遍高于空载到港而低于丰收返港工况；在其它船长范围内，空载到港的水平弯矩均大于另2种工况，而丰收返港的弯矩则最小。

3.2 主要载荷参数长期预报值

图6和图7给出了秋刀鱼船在丰收返港、捕鱼中、空载到港3个工况下某截面上水平弯矩和垂向弯矩2个主要载荷控制参数不同重现期的预报极值和超越概率水平10-8下的预报极值。

图6 水平波浪弯矩长期预报值Fig.6 Long term prediction value of HWBM

图7 垂直波浪弯矩长期预报值Fig.7 Long term prediction value of VWBM

由图5及图6对比，在同一重现期或超越概率下丰收返港的垂向波浪弯矩的预报极值均大于空载到港，而其水平弯矩的预报极值则均小于空载到港的预报极值，而捕鱼中工况的预报极值则位于两者之间。同时，计算得到的超越概率10-8下的水平弯矩的预报极值均大于重现期10 a的预报极值且接近重现期20 a的预报极值，部分极值甚至大于重现期50 a的预报极值。

3.3 浪向角及截面位置对波浪载荷的影响

图8和图9为目标船型在丰收返港和空载到港工况下的各主要载荷控制参数在重现期100 a下的的长期预报极值在不同浪向角上的分布。

图8 垂直波浪弯矩在不同浪向的分布Fig.8 Vertical bending moment of in different wave directions

图9 水平波浪弯矩在不同浪向的分布Fig.9 Horizontal bending moment in different wave directions

从图8可以看出：3种工况垂直弯矩的预报极值均出现在浪向角为0°或180°时，即目标船型在迎浪或顺浪航行时垂直弯矩最大，同时随浪向趋近横浪时呈现先减小后增大的趋势，在横浪时达到小波峰。在此截面上，丰收返港的垂直波浪弯矩在大部分的浪向上均大于空载到港，但在65°至110°左右时小于空载到港。而捕鱼中工况基本处于两者之间，但在浪向65°至90°左右时大于另2种工况。船型在此截面上各工况的垂直弯矩的极大值均出现在浪向角为180°的时候，即顺浪航行时。

而在水平弯矩上(图9)，随着浪向趋于横浪，3种工况的水平弯矩逐渐增大，且空载到港的水平弯矩在各个浪向角上均大于丰收返港，而捕鱼中工况的水平弯矩则大于丰收返港小于空载到港。在此截面上，各工况水平弯矩的最大值均出现在浪向角为90°即横浪航行的状态下。

3.4 横倾作业工况的波浪载荷预报

由于秋刀鱼船舷外抄网到船中网囊卸鱼是一个动态变化的过程，这一过程会导致船体一定时间内不同横倾情况的产生。同时，网具伸出舷外的重量以及起吊鱼获物网囊的重量变化难以估算，起网时船型的横倾角也难以计算。因此，本小节以捕鱼中工况的装载条件为基础，假定横倾5°和10°2个横倾角来简单模拟舷侧起网时船型的横倾状态，并通过在质量模型中加载船型外的质量点来实现模型的横倾，分析横倾角对波浪载荷预报的影响。

计算中各类参数的选取与上文保持一致，得到的各截面水平弯矩和垂向弯矩如图10和图11所示。

图10 垂向波浪弯矩沿船长分布Fig.10 The distribution of VWBM along ship length

图11 水平波浪弯矩沿船长分布Fig.11 The distribution of HWBM along ship length

从图10可以看出：3种状态下，垂向波浪弯矩沿船长方向的分布趋势保持一致，船型横倾角的变化对垂向弯矩无较大的影响，三者垂向弯矩的最大值均在船中区域。而在船中范围内横倾角10°的垂直弯矩略大于横倾角5°状态，而此处无横倾状态的弯矩最小。

在水平波浪弯矩方面(图11)，三种状态都呈现先增大后减小的趋势，且最大值位于船中靠艉的区域内。在船尾区域内，无横倾状态的水平弯矩大于横倾状态的弯矩；在船中偏艉区域，随着横倾角的增大，水平波浪弯矩也逐渐增大；而在船首范围内，横倾角的变化对水平弯矩无明显的影响。

4 小结

本文基于西北太平洋海域海区NW15的波浪统计资料的环境参数，利用DNV SESAM软件对秋刀鱼船的典型工况进行了水平和垂直弯矩2个控制参数下波浪载荷的长期预报，得到了不同重现期和概率水平10-8下的预报极值，同时研究了不同浪向角对船型波浪载荷和船体运动预报的影响。此外，本文还通过假定横倾角的方法来模拟舷侧抄网时船型横倾的状态，分析了船型不同横倾角对波浪载荷预报的影响。本文的研究能够为中小型远洋渔船的波浪载荷计算尤其是考虑渔船作业情况下波浪载荷的预报提供一定的参考，同时也为下一步进行船型结构强度直接计算与疲劳分析打下基础。