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 郑东嵘 程玉芹 何正来
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 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]。
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。
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满足拉普拉斯方程
（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： （5）
湿表面条件： （6）
海底边界条件： （7）
无穷远处边界条件： （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：
（9）
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：
（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）。
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。
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。
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。
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。
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，航速8kn，主要计算工况如表1所示。
3.3计算结果分析
频域分析是计算三体船在单位波幅（即波高2m）的规则波浪下的线性运动响应。根据线性假设，各频域工况计算得到的RAO值乘以系数0.625，可以得到波高1.25m时规则波浪下的线性运动响应。计算得到的150°及180°纵摇运动结果如图3所示。
将该三体船在频域响应和时域响应的结果进行对比如表3所示。根据计算结果得到：
（1）该三体船在150°情况下纵摇响应幅值最大。
（2）在频域分析中，浪向為0～90度之间时，三体船纵摇的峰值频率均发生在波浪最大允许频率处，此时遭遇频率接近于0，纵摇峰值接近无穷大。
（3）在大部分工况下，频域分析的运动幅度大于时域分析。
（4）对于浪向角120 o的横摇运动，由于平衡姿态为右倾，船舶右舷受浪面积更大，所以其横摇的时域分析结果略大于频域结果。
4片体布局优化
对于三体船，其片体的布置对于水动力响应具有较大的影响，针对以上的分析结果，本文改变主体和片体的纵向相对位置，对其纵摇响应进行优化。
设主体长度为L，数值为5m，片体布置上，保持片体和主体之间的横向距離不变，片体尾部距主体尾部距离为d ，如图5所示。
采用AQWA水动力计算软件，对各个主体与片体布局的在迎浪情况下纵摇响应进行计算， RAOs结果如下图7所示。
由上图7的结果可知片体尾部与主体尾部的距离对出现纵摇幅值的频率基本没有影响；但是随着片体尾部与主体尾部距离增大，纵摇幅值逐渐减小。
5结语
对该无人三体测量船使用AQWA进行频域响应和时域响应计算，可以得出如下结论：
（1）因为频域分析基于“平均湿表面”假设，而时域分析考虑了“瞬时湿表面”的变化。在时域分析中，三体船倾斜后的回复力矩随倾角的变化规律并不是线性的。
（2）在频域分析中，该船的纵摇幅值均大于20°，而横摇幅值均小于20°，对于纵摇幅值，其在150°时最大，在该船的实际航行过程中，要特别注意纵摇的影响，尤其是斜浪150°航行时。
（3）在改变片体布置的情况下，片体尾部与主体尾部距离增大，有助于改变纵摇的响应幅值，在实际建造过程中可以将无人测量船片体布置适当远离主体尾部，靠近船中附近，满足无人船对耐波性的高要求，提高在航行中的安全性。
（4）本文尚未考虑片体和主船体距离对耐波性的影响。后续会继续这方面的研究。
（5）根据本文的研究成果指导设计的三体无人船已经下水，并参与了实际应用，效果良好。
参考文献
[1]秦石洁. 三体船及其研究现状[J]. 淮海工学院学报.自然科学版， 2015， 24（1）：14-17.
[2]张浩健. 基于面元法的三体船升沉纵摇水动力数值研究[D]. 大连海事大学， 2017.
[3]华征明. 日本ATLA发布未来多用途三体船概念设计[J]. 军民两用技术与产品， 2017（13）：30-30.
[4]王川南. 三体船波浪载荷数值预报及耐波性研究[D]. 大连海事大学， 2015.
[5]Duan W Y， Hudson D A， Price W G. Theoretical prediction of the motions of fast displacement vessels in long-crested head-seas[C]// HPMV2000： Third International Conference on High Performance Marine Vehicles. 2000：675-675.
[6]邓琦， 毛筱菲， 吴铭浩. 主体瘦长度对三体船耐波性和波浪载荷的影响[J]. 中国舰船研究， 2016， 11（6）：8-14.
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 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]。
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。
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满足拉普拉斯方程
（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： （5）
湿表面条件： （6）
海底边界条件： （7）
无穷远处边界条件： （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：
（9）
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：
（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）。
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。
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。
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。
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。
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，航速8kn，主要计算工况如表1所示。
3.3计算结果分析
频域分析是计算三体船在单位波幅（即波高2m）的规则波浪下的线性运动响应。根据线性假设，各频域工况计算得到的RAO值乘以系数0.625，可以得到波高1.25m时规则波浪下的线性运动响应。计算得到的150°及180°纵摇运动结果如图3所示。
将该三体船在频域响应和时域响应的结果进行对比如表3所示。根据计算结果得到：
（1）该三体船在150°情况下纵摇响应幅值最大。
（2）在频域分析中，浪向為0～90度之间时，三体船纵摇的峰值频率均发生在波浪最大允许频率处，此时遭遇频率接近于0，纵摇峰值接近无穷大。
（3）在大部分工况下，频域分析的运动幅度大于时域分析。
（4）对于浪向角120 o的横摇运动，由于平衡姿态为右倾，船舶右舷受浪面积更大，所以其横摇的时域分析结果略大于频域结果。
4片体布局优化
对于三体船，其片体的布置对于水动力响应具有较大的影响，针对以上的分析结果，本文改变主体和片体的纵向相对位置，对其纵摇响应进行优化。
设主体长度为L，数值为5m，片体布置上，保持片体和主体之间的横向距離不变，片体尾部距主体尾部距离为d ，如图5所示。
采用AQWA水动力计算软件，对各个主体与片体布局的在迎浪情况下纵摇响应进行计算， RAOs结果如下图7所示。
由上图7的结果可知片体尾部与主体尾部的距离对出现纵摇幅值的频率基本没有影响；但是随着片体尾部与主体尾部距离增大，纵摇幅值逐渐减小。
5结语
对该无人三体测量船使用AQWA进行频域响应和时域响应计算，可以得出如下结论：
（1）因为频域分析基于“平均湿表面”假设，而时域分析考虑了“瞬时湿表面”的变化。在时域分析中，三体船倾斜后的回复力矩随倾角的变化规律并不是线性的。
（2）在频域分析中，该船的纵摇幅值均大于20°，而横摇幅值均小于20°，对于纵摇幅值，其在150°时最大，在该船的实际航行过程中，要特别注意纵摇的影响，尤其是斜浪150°航行时。
（3）在改变片体布置的情况下，片体尾部与主体尾部距离增大，有助于改变纵摇的响应幅值，在实际建造过程中可以将无人测量船片体布置适当远离主体尾部，靠近船中附近，满足无人船对耐波性的高要求，提高在航行中的安全性。
（4）本文尚未考虑片体和主船体距离对耐波性的影响。后续会继续这方面的研究。
（5）根据本文的研究成果指导设计的三体无人船已经下水，并参与了实际应用，效果良好。
参考文献
[1]秦石洁. 三体船及其研究现状[J]. 淮海工学院学报.自然科学版， 2015， 24（1）：14-17.
[2]张浩健. 基于面元法的三体船升沉纵摇水动力数值研究[D]. 大连海事大学， 2017.
[3]华征明. 日本ATLA发布未来多用途三体船概念设计[J]. 军民两用技术与产品， 2017（13）：30-30.
[4]王川南. 三体船波浪载荷数值预报及耐波性研究[D]. 大连海事大学， 2015.
[5]Duan W Y， Hudson D A， Price W G. Theoretical prediction of the motions of fast displacement vessels in long-crested head-seas[C]// HPMV2000： Third International Conference on High Performance Marine Vehicles. 2000：675-675.
[6]邓琦， 毛筱菲， 吴铭浩. 主体瘦长度对三体船耐波性和波浪载荷的影响[J]. 中国舰船研究， 2016， 11（6）：8-14.
