基于耐波性数值仿真的三体测量船片体布局优化研究
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
鉴于三体船型优良的耐波性能，本研究选取三体船作为某 无人测量系统的艇体平台。三体船的片体位置布局对三体船的 六个自由度的运动有着重要的影响 [6]。因此本文基于耐波减摇 性能展开三体船片体优化布局研究，三维势流理论对新开发的
三体无人测量船在有航速下的频域响应和时域响应作了预报， 并研究了片体的布置对该船耐波性的影响，基于耐波减摇性能 得出最佳的片体布置方案，对三体无人测量船片体的布置提出 了优化建议，用于指导三体测量船的最终艇体设计。
摘 要：无人测量船装备的仪器设备对船舶运动响应相对敏感，对耐波性等方面有更严格的要求，而无人测量船的尺度
相对较小，需要布置的设备较多，选用耐波性优良的三体船型作为无人测量船平台是一个的新的尝试。本文通过改变三
体船的片体位置的布局来探究最佳耐波性方案，使用大型水动力计算软件 AQWA，基于三维势流理论，研究了新型三
来越小。
关键词：无人船；三体船；耐波性；频域响应；时域响应；片体
中图分类号：U662
Fra Baidu bibliotek
文献标识码：A
文章编号：1006—7973（2018）8-0065-04
1 引言
随着我国“海洋强国”战略的实施，提高海洋资源的探测 和开发能力越来越受到重视，测量船则是一种专门用于水底测 量的船舶。随着第四次工业革命“人工智能”的到来，测量船 的无人化和智能化是时代发展的重要方向。无人测量船作为新 一代海洋探测船，极大地促进海洋探测作业的效率和精度，并 且无需人工驾驶，减少运营成本。无人测量艇上装备有大量对 船体运动要求较高的仪器设备，如多波束等对纵摇有着严格的 要求，设计一种耐波性能优良的艇型变得极为重要。三体船型 因其优良的快速性、宽敞的甲板平台、较好的稳性和耐波性等 诸多优点，深受船舶界青睐 [1]。上世纪 90 年代末开始，上海交 通大学已经开始对三体船的研究，日本防卫省在 2014 年提出了 发展多用途三体船的概念 [2]，三体船的主船体为一细长体 , 左 右两侧体一般为对称分布 , 其作为一种新型船舶 , 比常规单船舶 表现出良好的水动力性能 [3]。英国学者 Andrews 将理论计算和 能量法相结合，对三体船的横摇运动进行了预报研究；意大利 Andrea Colagrossi 等采用三维 Rankine 源边界积分方程方法求解 三体船在波浪上的运动和波浪载荷 [4]。国内也有诸多学者做了 相关的耐波性研究，段文洋使用二维时域 Green 函数法对三体 船的耐波性进行了预报 [5]。
(9)
j =1
CWT 中国水运 2018·08 65
通过源汇法得到船体水动力湿表面上每一个水动力网格上
的速度势：
N
∑ = φi
= βijσ j j
1, 2, , N
j =1
（10）
一旦求得船体湿表面上的速度势之后，运用动量方程得到
作用在船体表面上的动压力值如式（11）。沿湿表面上的压力
积分便可得到作用在结构上的波浪力的水平、垂直、及力矩为
式（12）。
p( xi
,
yi
,
zi
,t)
=
ρ
∂φ ∂t
∫∫
Fx
=
S p(x, y, z)nxdS
∫∫
Fy
=
S p(x, y, z)nydS
∫∫ = M z S p(x, y, z)(xny − znx )dS
（11） （12）
通过以上理论方法可以计算频域和时域下的船体在大波浪 下的运动响应和波浪载荷压力，通常基于频域下的幅值响应算 子 RAO 可以获得船体在不同相位下的波浪的运动响应、波浪力 响应、压力值响应和加速度响应。
体无人测量船在航状态下的频域响应和时域响应，计算了片体在不同位置的情况下频域和时域的水动力响应，得到三体
船各自由度下的运动峰值对应的频率。另外本文还研究了片体的纵向布置对三体船纵摇的影响。结果表明：在大部分工
况下，频域分析的运动幅度大于时域分析；在迎浪情况下，随着片体尾部距离主体尾部越来越大，该三体船纵摇幅度越
3 有限元模型及参数选取
3.1 模型建立 在水动力分析中，几何模型需要建立浮体的外表面模型。
采用 ANSYS DesignModeler 几何建模模块对原几何模型进行编辑 与修复，得到的新几何模型如图 1 所示。
图 1 三体无人测量船的几何模型
在图 1 中，坐标系 +X 方向为船尾指向船首，+Y 方向指向 左舷，+Z 方向竖直向上。坐标系原点位于船中位置。
DOI 编码：10.13646/j.cnki.42-1395/u.2018.08.030
基于耐波性数值仿真的三体测量船 片体布局优化研究
潘登 1，郑东嵘 2，程玉芹 3，何正来 1
（1. 珠海云洲智能科技有限公司，广东 珠海 519185；2. 珠海海事局，广东 珠海 519185； 3. 淮海工学院机械与海洋工程学院，江苏 连云港 222005）
速 8kn，主要计算工况如表 1 所示。
表 1 频域波浪计算工况
工况
浪向角 ( 度 )
航速
计算内容
工况 1
180
8 kn
纵摇
工况 2
150
8 kn
纵摇
水动力模型的网格尺寸设置为 0.08m，生成的总单元数为 6565 个，湿表面单元数为 3700 个，网格模型如图 2 所示。
图 2 三体无人测量船的网格模型
3.2 参数选取
水动力 RAO 的计算通常假定在单位波幅规则波作用下的浮
体运动和波浪力，与波高呈线性关系。计算该船在规则波下的
运动响应幅值算子 (RAOs)，工作环境水深暂定为无限水深，航
2 基本理论
在水动力的理论研究中，通常假定流体时无粘、无旋和不
可压缩的理想流体。在给定边界条件和初始条件时速度势函数
ϕ 满足拉普拉斯方程
∂2ϕ ∂x2
+
∂2ϕ ∂y 2
+
∂2ϕ ∂z 2
= 0
(1)
浮体在静水自由表面上做六个自由度摇荡运动时，一阶不
定常速度势 Φ 满足其他条件，以确保联立的方程能够得到定解。
在自由表面：
∂2Φ ∂t 2
+
g
∂Φ ∂z
= 0
(5)
湿表面条件：
∂Φ= ∂n
U j ⋅ nj
(6)
海底边界条件：
∂Φ
=0
∂n Z =−H
(7)
lim 无穷远处边界条件：
R (∂Φ − ikΦ) =0
R→∞
∂R
(8)
总速度势可以认为是由入射波速度势、绕射速度势和幅射
速度势组成：
6
∑ φ =φI + φD − iω ξ φj Rj
三体无人测量船在有航速下的频域响应和时域响应作了预报， 并研究了片体的布置对该船耐波性的影响，基于耐波减摇性能 得出最佳的片体布置方案，对三体无人测量船片体的布置提出 了优化建议，用于指导三体测量船的最终艇体设计。
摘 要：无人测量船装备的仪器设备对船舶运动响应相对敏感，对耐波性等方面有更严格的要求，而无人测量船的尺度
相对较小，需要布置的设备较多，选用耐波性优良的三体船型作为无人测量船平台是一个的新的尝试。本文通过改变三
体船的片体位置的布局来探究最佳耐波性方案，使用大型水动力计算软件 AQWA，基于三维势流理论，研究了新型三
来越小。
关键词：无人船；三体船；耐波性；频域响应；时域响应；片体
中图分类号：U662
Fra Baidu bibliotek
文献标识码：A
文章编号：1006—7973（2018）8-0065-04
1 引言
随着我国“海洋强国”战略的实施，提高海洋资源的探测 和开发能力越来越受到重视，测量船则是一种专门用于水底测 量的船舶。随着第四次工业革命“人工智能”的到来，测量船 的无人化和智能化是时代发展的重要方向。无人测量船作为新 一代海洋探测船，极大地促进海洋探测作业的效率和精度，并 且无需人工驾驶，减少运营成本。无人测量艇上装备有大量对 船体运动要求较高的仪器设备，如多波束等对纵摇有着严格的 要求，设计一种耐波性能优良的艇型变得极为重要。三体船型 因其优良的快速性、宽敞的甲板平台、较好的稳性和耐波性等 诸多优点，深受船舶界青睐 [1]。上世纪 90 年代末开始，上海交 通大学已经开始对三体船的研究，日本防卫省在 2014 年提出了 发展多用途三体船的概念 [2]，三体船的主船体为一细长体 , 左 右两侧体一般为对称分布 , 其作为一种新型船舶 , 比常规单船舶 表现出良好的水动力性能 [3]。英国学者 Andrews 将理论计算和 能量法相结合，对三体船的横摇运动进行了预报研究；意大利 Andrea Colagrossi 等采用三维 Rankine 源边界积分方程方法求解 三体船在波浪上的运动和波浪载荷 [4]。国内也有诸多学者做了 相关的耐波性研究，段文洋使用二维时域 Green 函数法对三体 船的耐波性进行了预报 [5]。
(9)
j =1
CWT 中国水运 2018·08 65
通过源汇法得到船体水动力湿表面上每一个水动力网格上
的速度势：
N
∑ = φi
= βijσ j j
1, 2, , N
j =1
（10）
一旦求得船体湿表面上的速度势之后，运用动量方程得到
作用在船体表面上的动压力值如式（11）。沿湿表面上的压力
积分便可得到作用在结构上的波浪力的水平、垂直、及力矩为
式（12）。
p( xi
,
yi
,
zi
,t)
=
ρ
∂φ ∂t
∫∫
Fx
=
S p(x, y, z)nxdS
∫∫
Fy
=
S p(x, y, z)nydS
∫∫ = M z S p(x, y, z)(xny − znx )dS
（11） （12）
通过以上理论方法可以计算频域和时域下的船体在大波浪 下的运动响应和波浪载荷压力，通常基于频域下的幅值响应算 子 RAO 可以获得船体在不同相位下的波浪的运动响应、波浪力 响应、压力值响应和加速度响应。
体无人测量船在航状态下的频域响应和时域响应，计算了片体在不同位置的情况下频域和时域的水动力响应，得到三体
船各自由度下的运动峰值对应的频率。另外本文还研究了片体的纵向布置对三体船纵摇的影响。结果表明：在大部分工
况下，频域分析的运动幅度大于时域分析；在迎浪情况下，随着片体尾部距离主体尾部越来越大，该三体船纵摇幅度越
3 有限元模型及参数选取
3.1 模型建立 在水动力分析中，几何模型需要建立浮体的外表面模型。
采用 ANSYS DesignModeler 几何建模模块对原几何模型进行编辑 与修复，得到的新几何模型如图 1 所示。
图 1 三体无人测量船的几何模型
在图 1 中，坐标系 +X 方向为船尾指向船首，+Y 方向指向 左舷，+Z 方向竖直向上。坐标系原点位于船中位置。
DOI 编码：10.13646/j.cnki.42-1395/u.2018.08.030
基于耐波性数值仿真的三体测量船 片体布局优化研究
潘登 1，郑东嵘 2，程玉芹 3，何正来 1
（1. 珠海云洲智能科技有限公司，广东 珠海 519185；2. 珠海海事局，广东 珠海 519185； 3. 淮海工学院机械与海洋工程学院，江苏 连云港 222005）
速 8kn，主要计算工况如表 1 所示。
表 1 频域波浪计算工况
工况
浪向角 ( 度 )
航速
计算内容
工况 1
180
8 kn
纵摇
工况 2
150
8 kn
纵摇
水动力模型的网格尺寸设置为 0.08m，生成的总单元数为 6565 个，湿表面单元数为 3700 个，网格模型如图 2 所示。
图 2 三体无人测量船的网格模型
3.2 参数选取
水动力 RAO 的计算通常假定在单位波幅规则波作用下的浮
体运动和波浪力，与波高呈线性关系。计算该船在规则波下的
运动响应幅值算子 (RAOs)，工作环境水深暂定为无限水深，航
2 基本理论
在水动力的理论研究中，通常假定流体时无粘、无旋和不
可压缩的理想流体。在给定边界条件和初始条件时速度势函数
ϕ 满足拉普拉斯方程
∂2ϕ ∂x2
+
∂2ϕ ∂y 2
+
∂2ϕ ∂z 2
= 0
(1)
浮体在静水自由表面上做六个自由度摇荡运动时，一阶不
定常速度势 Φ 满足其他条件，以确保联立的方程能够得到定解。
在自由表面：
∂2Φ ∂t 2
+
g
∂Φ ∂z
= 0
(5)
湿表面条件：
∂Φ= ∂n
U j ⋅ nj
(6)
海底边界条件：
∂Φ
=0
∂n Z =−H
(7)
lim 无穷远处边界条件：
R (∂Φ − ikΦ) =0
R→∞
∂R
(8)
总速度势可以认为是由入射波速度势、绕射速度势和幅射
速度势组成：
6
∑ φ =φI + φD − iω ξ φj Rj