華南理工大學土木與交通學院海外學者前沿講座第五十三期，我們邀請到來自葡萄牙里斯本大學的助理教授王珊博士。本次講座中，王老師向我們介紹了船舶砰擊現(xiàn)象以及砰擊引起的船體結構響應。

首先，王老師向我們介紹了幾種常見的砰擊類型。第一種是船底砰擊，一般是指由于巨大的船舶垂向運動，船體底部出水再高速入水的過程。第二種是船首外飄砰擊，主要是船體首部與波浪的高速碰撞。第三種是碎波砰擊，在海洋結構物中比較常見。最后是甲板上浪。王老師的研究主要集中于船底砰擊和船首外飄砰擊。

在砰擊反復發(fā)生之后，船底局部會產(chǎn)生巨大的沖擊力，這會造成局部結構的破壞或對整體結構響應有很大的影響，例如產(chǎn)生瞬態(tài)的波激振動，產(chǎn)生巨大的彎矩，從而對結構的強度有影響。王老師介紹到，目前已經(jīng)有很多砰擊引起船舶破壞和海洋事故的例子，如圖2所示，渡輪中船體首部和波浪的反復碰撞導致船首的脫落；第二個例子是五年的集裝箱船由于巨大的波激振動，導致船在運行過程中斷裂成兩半，產(chǎn)生了巨大的損失；最后是FPSO出現(xiàn)了明顯的凹陷，這就是由于波浪的反復砰擊。這些例子告訴我們，準確預報船體砰擊載荷對于船體結構的設計與安全評估至關重要。

目前關于砰擊的研究課題主要集中在三個方向：砰擊現(xiàn)象出現(xiàn)的情況和發(fā)生概率、砰擊載荷的預測方法和砰擊引起的結構響應。針對第一個問題，王老師介紹到一般采用統(tǒng)計的方法估算砰擊發(fā)生的概率。一個砰擊事件的發(fā)生需要滿足兩個條件：船體有出水和入水的過程；船體入水的速度大于一個臨界值。根據(jù)這兩個條件，可以分析得到船舶相對于波浪的運動和垂向的速度，計算出上述兩個條件聯(lián)合發(fā)生的概率，從而得到船舶縱向各個位置發(fā)生砰擊的概率。

接著，王老師介紹了砰擊載荷的預測方法，采用了解析解、數(shù)值模擬以及模型試驗的方法進行研究。傳統(tǒng)的解析解方法采用切片理論，即船舶被切割成許多的二維切片，利用二維方法計算出二維切片的水動力系數(shù)，受到的波浪力，和船舶在波浪中的運動。砰擊載荷的計算最初也是采用了二維的方法。1929年，Von Karman提出了楔形體入水模型，該模型未考慮結構在入水過程中的液面升高；1932年，Wagner在此基礎上改進了該模型，考慮了液面的升高。

在數(shù)值模擬上，王老師采用了ALE有限元方法，將結構模擬成拉格朗日單元，將流體（水和空氣）模擬為多物質的歐拉單元，兩者之間用罰函數(shù)進行耦合。下圖展示了由模擬得到的船首入水過程中液表面的升高和壓強分布的變化。同時，王老師將模擬得到的砰擊載荷和試驗結果進行對比，發(fā)現(xiàn)不同砰擊角度和速度下的模擬結果都比較好。但是，ALE方法雖然能很好的預測結構入水初始階段的砰擊力，但是該方法比較適用于瞬態(tài)分析及簡單的結構。為了計算復雜船體結構的砰擊，王老師還采用了OpenFOAM來計算。王老師模擬了二維和三維楔形體入水的情況，對比了不同截面的砰擊壓強和整體的砰擊壓力，考慮了不同的入水速度，王老師發(fā)現(xiàn)三維的結果比二維的結果低25%，這表明在船體首部和尾部的計算中，需要考慮三維效應的影響。

基于前面的方法，王老師提出了一個數(shù)值方法計算船體結構的砰擊概率和載荷。該方法首先采用非線性時域程序計算船舶在不同船速和波浪環(huán)境中的運動，通過運動計算出相對于波浪的垂向位移和速度?；谂閾舭l(fā)生的兩個條件，可以得到不同橫截面產(chǎn)生砰擊的概率。然后選取砰擊概率較大的部分，運用ALE方法或解析解可以得到不用入水速度下的砰擊載荷。王老師以一艘化學品船為例，通過試驗驗證了所提出的計算方法。

此外，王老師向我們介紹了用解析方法計算砰擊載荷引起的局部結構響應。王老師以復合板與波浪的砰擊為例，詳細介紹了計算的細節(jié)。在復合板與水面砰擊的一瞬間，板上受到了隨時間變化的均布壓力。通過正交薄板理論，建立方程，通過模態(tài)疊加方法可以計算得到板與水面砰擊過程中的響應。王老師采用兩種脈沖形式，對比了解析方法與數(shù)值模擬結果，發(fā)現(xiàn)兩者比較相近。此外，為了研究水彈性響應，王老師采用了ALE模擬了復合板入水的過程，發(fā)現(xiàn)結果良好。

最后，王老師對采用數(shù)值和試驗方法預報砰擊載荷中的不確定性問題的研究進展進行綜述。通過不確定性分析，我們可以得到大致的區(qū)間，從而可以很好的與試驗結果進行對比，王老師針對不確定性做了一些計算，第一個是關于CFD計算過程中的不確定性分析。以球體入水為例，王老師采用了兩種開源的計算方法，都采用了同樣的邊界條件，水域，初始條件和離散條件。王老師采用了四種離散條件，得到四個模型，分別計算其收斂性和不確定性。將模擬得到的豎向位移、速度和砰擊載荷與試驗值進行對比，完成validation，而后對比了四種不同模型下的時域結果，用泰勒圖表計算出收斂性，表明模擬結果收斂性良好。然后，王老師根據(jù)ITTC推薦的不確定性計算方法，分析了模擬結果，根據(jù)結果發(fā)現(xiàn)模擬結果收斂。此外，王老師還評估了試驗隨機的不確定性，同樣采用了化學品船的例子，針對不同波況進行了5次試驗，結果發(fā)現(xiàn)試驗結果與數(shù)值結果吻合較好。對比5組試驗結果的峰值，可以發(fā)現(xiàn)試驗數(shù)據(jù)偏大時出現(xiàn)較大誤差，即不確定性增大。

王老師的講座深入淺出，向我們展示了她們課題組圍繞船舶砰擊這一問題開展的一系列研究。通過講座，王老師不僅向我們介紹了研究成果，更展示了她在開展課題研究中的研究思路和研究方法，這值得我們學習。

更多詳情請參閱：

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

講座錄播鏈接：【The SIR Frontiers】學術前沿系列講座第五十三期：“船舶砰擊載荷與結構響應”?

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來源于多樣化結構實驗室VSL

撰寫：解兵林 姚顯花 毛煒寧

排版：李嘉晨

審核：胡??楠