耐波性分析

1）“Maxsurf Motions”模块

如图5-37所示，在“Maxsurf Motions”模块主界面上包含4大基本部分：三维视图窗口、曲线窗口、分析输入窗口、结果显示窗口。“Motions”模块在操作与应用上比之前的“Modeler”及“Stability”模块简单方便，但有时需要将数据保存下来，用其他软件（Auto CAD，Excel等）进行后期数据的编辑处理，之后生成多种面积曲线或动态图像。

图5-37 “M狅ti狅ns”模块主界面

通过图5-38，对船舶耐波性分析所必要的参数进行设定，包括：选定合适的分析理论（Analysis Type）、吃水及纵倾的设定（Draftand Trim）、测量船体表面的数量（Measure Hull）、确定船舶类型（Vessel Type）、重量分布（Mass Distribution）、选定阻尼系数（Damping Factors）、环境变量（Environment）等。与“Stability”模块的参数设定类似，黑色字体为需要手动进行设定的项目，灰色字体无需变动，详细见图5-38至图5-42。

图5-38 参数设定

如图5-39所示，对分析耐波性所运用的理论方法（Analysis Type）进行选定，包括：切片理论法（Strip Theory）、板块法（Panel Method）、自定义响应幅值算子法（User Input RAOs）。对于一般的排水型船舶可运用切片理论进行分析。切片理论即薄片理论或节片理论，被广泛应用于求解具有稳定巡航航速的瘦削型舰船的三维纽曼开尔文方程（Neumann Kelvin，N K方程），在分析游艇的耐波性上同样适用。

图5-39 分析理论选定

通过图5-40，对船体的吃水及纵倾（Vessel Draftand Trim）进行设定，包括：船艉吃水（Draftat AP）、船舯吃水（Draftatmidships）、船艏吃水（Draftat FP）、纵倾角（Trim Angle）、零纵倾（Zerotrim，即纵倾角为0°，船艏、船舯、船艉的吃水相同，使船体处于水平状态，无纵倾现象发生）。

通过图5-41，可对需要测量的船体表面进行选定，包括：最大映射数（Max numberofmapping）、映射横剖面的数量（Numberofmappedsections）、测量所有表面（Measureall）、隐藏表面（Measurenone）等。

图5-40 船体吃水及纵倾设定

图5-41 船体表面测量

通过图5-42，对船体类型进行设定，包括双体船（Catamaron）、双体船两个片体的间距（Demihullcenterlinespacing）以及单体船（Monohull）等。

图5-42 船舶类型选定

图5-43 装载的重心位置、航速、浪向、波谱设定

通过图5-43，对进行耐波性分析需要的参数进行详细的设定，包括：装载货物重心的三向坐标、航速、海浪的浪向、航行海域的波谱。其中海浪波谱的选定需根据实际海况来确定，在可选的几个波谱（ITTC，1Param． Bre，JONSWAP，DNV等）中选出与航行海域海况最接近的一个，再根据实际海况来调整波浪的周期、频率、波高等。

图5-44 模拟横摇的波浪设定

通过图5-44可以设定自由横摇时水面的状况，包括：平静水面（Static freesurface）及其频率（Encounter）、幅值（Waveamplitude）或不规则波浪（Irregularwavessurface）及不规则波浪是否随机排列（Random）等。在进行耐波性分析时，需要选择多组不同的初始横摇角度进行对比、分析规则与不规则波对船体上浪的影响，这样能检验船舶在各类海况下是否具有良好的稳性及耐波性，并降低晕船率。如图5-45，5-46所示。

图5-45 模拟船舶在应对不同海浪时的上浪

图5-46 规则波与不规则波对船体的上浪

2）横摇周期及横摇角的计算（见表5-20）

表5-20 横摇周期及横摇角计算

（续 表）

横摇自摇周期Tθ按下式计算

式中，犳为按照游艇的B／d的值查表所得；B为不包括船壳板的最大船宽（m）；d为所核算装载情况下的型吃水（m）；KG为所计算装载情况下的船舶重心至基线的垂向高度（m）；GM0为所计算装载情况下船舶未经计算或自由液面修正的初稳性高（m）。

横摇系数选取如下：

C1为系数，应按横摇自摇周期及航区查表得；C2为系数，C2＝0．13＋0．6KG／d，当C2＞1时，取C2＝1．0，当C2＜0．68时，取C2＝0．68；C3为系数，根据船舶B／d值查表所得；C4为系数，按船舶类型及舭龙骨尺寸查表所得。

图5-47所示为“海狼号”艇体在自由横摇状态下的衰减曲线，当初始横倾角度（纵轴）为0．6rad（3-4．395°）时，可以看到：①约22s后衰减曲线趋于平稳，即游艇自动恢复平衡；②经历了约6次横摇（6个峰值）恢复到平衡状态。如果摇摆幅度适中，则在很大程度上会降低晕船率，更好地保证游艇的舒适性及在突发恶劣天气及海况下的安全性。

图5-47 自由横摇衰减曲线

图5-48中，初始横倾角度为0．5rad（28．662°），由曲线可知，经历21s后游艇自动恢复平衡。

图5-48 自由横摇衰减曲线

图5-49为“海狼号”的自由横摇汇总曲线，横轴为模拟释放时的初始横倾角，纵轴为游艇再次恢复平衡状态的耗时。从中可以看出随初始横摇角的增大，重新平衡的耗时也增大，初始横倾角从0．1rad增加到0．6rad，重新平衡耗时则从10s递增到22s。

图5-49 自由横摇汇总曲线

3）风压倾侧力臂的计算

风压倾侧力臂计算式：

L＝（p×A×Z）／9810×Δ（52）

式中，p为单位计算风压（Pa）；Af为船舶受风面积（m2）；Z为风压作用力臂（m）；Δ为排水量（t）。

由表5-21可知，在满载出港、满载到港、空载到港三种工况下的稳性衡准数K分别为2．552，2．186，2．149，数值均大于1，满足规范对于稳性的要求。

表5-21 风压倾侧力臂计算

上述计算结果表明，“海狼号”游艇在各种装载情况下，稳性均满足中国海事局规定的《国内航行海船法定检验技术规则（2011）》中对遮蔽航区的稳性要求。