[发明专利]一种基于液货船舱内剧烈晃荡荷载的液舱优化设计方法

摘要

本发明涉及一种基于液货船舱内剧烈晃荡荷载的液舱优化设计方法，其包括以下步骤：1）通过计算得到船舶每个液舱的运动响应幅度算子和运动加速度，由此判断得到船舶的水动力性能；2）结合船舶实际作业海域的波高周期分布和波浪方向分布概率分析得到船舶的长期运动响应；3）计算得到液舱在不同载液率下纵截面和横截面的固有周期；4）综合上述因素计算液舱的剧烈晃荡荷载，通过绘制图形得到临界晃荡波浪条件的曲线图，并选取最可能引起液舱内液体剧烈晃荡的临界晃荡波浪条件；5）结合液舱的基本参数计算液舱壁面的晃荡荷载压力分布，然后将不同截面型式和尺寸液舱的最大晃荡荷载进行比较，得到适用于该实际作业海域的较优的液舱截面型式和尺寸。本发明具有计算速度快，计算精度较高，简单实用等优点，并为液舱优化选型提供重要的理论依据。

主权项

一种基于液货船舱内剧烈晃荡荷载的液舱优化设计方法，其包括以下步骤：1)船舶水动力分析：根据船舶的重量、重心和转动惯性半径计算得到船舶每个液舱中心位置的纵荡、横荡、升沉、横摇、纵摇和回转六个自由度方向的运动响应幅度算子，以及X、Y和Z三个坐标轴方向的加速度运动响应幅度算子，由此判断得到船舶在各种波浪状况下的水动力性能；2)船舶长期运动响应：根据步骤1)中船舶的水动力性能，并结合船舶实际作业海域的波高周期分布和波浪方向分布概率进行船舶的长期运动响应分析，由此得到船舶在其实际作业海域的海况条件下的长期运动响应，包括纵荡、横荡、升沉、横摇、纵摇和回转六个自由度方向的LTR，以及X、Y和Z三个坐标轴方向的加速度响应；3)液舱特性分析：将三维液舱分解为横向和纵向两个截面进行分析，并通过公式(1)计算得到液舱在不同载液率下纵截面的固有周期，通过公式(2)计算得到液舱在不同载液率下横截面的固有周期：${\mathrm{\ω}}_x=\sqrt{\frac{g\mathrm{\π}}{L}\tanh \frac{\mathrm{\π}d}{L}},T_x=\frac{2\mathrm{\π}}{{\mathrm{\ω}}_x}---\left(1\right)$${\mathrm{\ω}}_y=\sqrt{\frac{g\mathrm{\π}}{b_f}\tanh \frac{\mathrm{\π}d}{b_f}},T_y=\frac{2\mathrm{\π}}{{\mathrm{\ω}}_y}---\left(2\right)$上式中，ω_x和ω_y分别为液舱纵向和横向截面的固有圆频率；T_x和T_y分别为液舱纵向和横向截面的固有周期；b_f是液舱内液面宽度；L为液舱长度；d为液舱内液深高度；g为重力加速度；π为圆周率；4)临界晃荡波浪条件：综合考虑船舶水动力性能、船舶长期运动响应和液舱特性来计算液舱的剧烈晃荡荷载：①首先根据步骤1)得到的船舶运动响应幅度算子和步骤2)得到的船舶运动长期响应计算船舶的等效波浪幅值：$a(\mathrm{\ω},\mathrm{\θ})=\underset{j=12...9}{min}\frac{{\mathrm{LTR}}_j}{{\mathrm{RAO}}_j(\mathrm{\ω},\mathrm{\θ})}---\left(3\right)$上式中，a(ω,θ)为等效波浪幅值；ω为波浪频率；θ为波浪来浪方向；LTR为船舶运动长期响应；RAO(ω,θ)为船舶在波浪频率ω和波浪来浪方向θ下的船舶运动响应幅度算子；下标j从1到6分别表示液舱的纵荡、横荡、升沉、横摇、纵摇和回转六个自由度方向，从7到9表示液舱运动加速度的X、Y和Z三个坐标轴方向；②对于公式(3)中的等效波浪幅值，重点考虑对船舶影响较大的波浪来浪方向，即横向90°～120°，纵向150°～180°；③考虑到液舱特性，重点考虑在液舱振动周期最为激烈的0.7～1.3倍液舱固有周期范围内的等效波浪幅值；④考虑波浪的波陡有一定限制，即等效波浪幅值必须小于或者等于波浪破碎波高：$a(\mathrm{\ω},\mathrm{\θ})\≤\frac{\mathrm{\π}}{7}\frac{g}{{\mathrm{\ω}}^2}---\left(4\right)$综合考虑船舶水动力性能、船舶长期运动响应和液舱特性，通过绘制图形得到临界晃荡波浪条件的曲线图，并选取以下三种最可能引起液舱内液体剧烈晃荡的临界晃荡波浪条件：①临界晃荡波浪条件的周期接近液舱固有周期的；②等效波浪幅值最大的；③等效波浪幅值较大，且临界晃荡波浪条件的周期又较为接近液舱固有周期的；5)晃荡时域数值分析：根据步骤4)中选取的临界晃荡波浪条件，再结合液舱的基本参数计算得到液舱壁面的晃荡荷载压力分布，由此确定液舱在实际作业海域可能产生的最大晃荡荷载，然后将不同截面型式和尺寸液舱的最大晃荡荷载进行比较，即得到适用于该实际作业海域的较优的液舱截面型式和尺寸，完成对液舱的优化设计。