基于ABAQUS的破损船舶静稳性曲线直接计算法研究
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第 18 卷 第 7 期 2018 年 7 月中国水运 China Water TransportVol.18 JulyNo.7 2018通过实例对比研究两种破损稳性的计算方法吕 冰,林 佳(浙江欣海船舶设计研究院有限公司,浙江 舟山 316021)摘 要:目前,在分析船舶的完整稳性和破损稳性时,主流的修正船舶复原力臂曲线的方法有两种,即:升高重心法和液体倾侧力矩法。
两种方法基于不同的理论,其计算结果也会存在一定的差异。
本文以某 5,000 载重吨化学品船/某 50m 沿海客船和某 20,000 载重吨级散货船为实例,使用两种不同的修正方法,通过对比其各自获得的破损稳性计算结果,研究两种计算方法的优劣。
关键词:破损稳性;升高重心法;液体移动力矩法;实例对比中图分类号:U662文献标识码:A文章编号:1006-7973(2018)07-0012-02前言 船舶的破损稳性是船舶提供浮力的船体发生部分破损后 所剩余的漂浮能力和复原能力。
目前,破损稳性的衡准方法 主要有两种理念,即:确定法和概率法。
确定法是指按照规 定的破损大小/破损位置/舱室渗透率/装载工况,计算船体 破损后的中间浸水和最终平衡状态的复原力臂曲线和浮态, 并作相应的校核的方法;概率法是将可能发生破损的舱室组 合按照其位置和跨度,结合其发生破损后的浮态和复原力臂 情况,通过概率统计最终计算求得分舱指数 A,以评估船舶 抵抗破损稳性的能力的方法。
由上述可见,计算和修正破损后的复原力臂曲线是分析 破损稳性的关键步骤。
一、方法 目前,计算复原力臂曲线的主流方法有两种,即升高重 心法和液体移动力矩法。
升高重心法基于液体自由液面惯性矩对重心高度的影 响,通过修正初稳性距(或重心高度)而进一步修正复原力 臂曲线的方法。
GZ ls - (Zg FSC)sin GM1 GM - FSC 式中: GZ —修正后复原力臂;ls—重心高度位于基线时 的横交曲线;Zg—船舶在液体自由页面修正前的重心高度; FSC—液体自由液面惯性矩与船舶排水量的比值; —船舶 横倾角。
基于ABAQUS的破损船舶静稳性曲线直接计算法研究
作者:令波张正艺解德
来源:《中国水运》2020年第12期
摘要:本文提出了一种基于ABAQUS的破损船舶静稳性曲线的直接计算方法。
以典型趸船为例进行,计算了其第一类破舱的情况,并与解析方法所得结果进行比较,验证了该方法的可行性和准确性。
关键词:ABAQUS;破损船舶;稳性曲线;直接计算法
船舶在使用过程中可能会发生事故而导致船体的破损进水。
所谓抗沉性,是指船舶在一舱或者多舱破损进水后仍能保持一定浮性和稳性的能力[1]。
如果船舶不具备足够的抗沉性,就会导致灾难性的后果[2]。
因此,国际社会制定了各类法规和技术规范对船舶的抗沉性提出了具体要求。
其中的典型代表为国际海事组织制定的《国际海上人命安全公约(International Convention for the Safety of Life at Sea,SOLAS)》 [3-4]。
对破损船舶稳性曲线的计算,则是对船舶进行抗沉性分析的基础。
不同于传统的以阿基米德原理为基础的基于等效体积的计算方法,本文提出了一种从浮力产生的本质出发基于静水压力的表面积分来计算。
以ABAQUS为分析工具,计算了趸船的第一类破舱时船舶稳性曲线。
并与解析方法所得结果进行了比较,验证了该方法的可行性和准确性,为进一发展和应用这种方法奠定基础。
1直接计算方法
图1给出了破损船舶稳性曲线直接计算方法示意图。
首先,通过采用刚体单元对目标船体进行建模。
然后,在刚体模型的参考点/等效重心上施加船体的等效重力。
最后,放开z方向上的自由度,旋转刚体模型,可以获得不同倾斜角时的参考点上的支反力矩,该力矩大小与不同倾斜角时的回复力矩大小相等。
通过直接计算法计算破损船体的稳性曲线时,有两种思路,即增加重量法和损失浮力法。
重量增加法认为:破损后的船体进水是在船体上增加等效液体货物(密度与破舱水相同),参见图1(a)。
此时,倾角对应的破损船体上的等效重力,等效重心位置以及回复力矩按下式求解:
2计算算例与计算结果
本文以一个趸船上单个舱室破舱后,破损船舶的横倾静稳性曲线计算为例,来验证本文所提出的直接计算法的准确性。
该趸船为一长方体,其所处的坐标系和破损舱室在趸船上所处的位置参见图2,趸船和破损舱室的主尺度参见表1。
趸船未破损时的重心位置为(60m, 0m, 5m),破舱水密度
=1026.05 kg/3,重力加速度g=9.8/,初始水线高为5m。
如图3所示,模型由刚体单元组成,采用ABAQUS中的R3D4刚体单元建模。
在参考点上施加等效重力,在水线以下的刚体外表面施加静水压力,约束参考点除了z方向以外的所有自由度,以便模型寻找平衡位置。
让有限元模型绕x轴旋转来模拟趸船的横倾。
在本例中,共横倾90度,横倾过程被分为18步,每一步均达到了静力平衡。
通过有限元分析得到的刚体单元参考点处绕x轴方向的支反力矩即为所求的横倾回复力矩。
本文分别通过基于增加重量法的直接计算法和基于损失浮力法的直接计算法来获取趸船破损后的静稳性曲线,并与解析解的进行了比较,参见图4。
解析解的相关计算公式参见参考文献[6]。
结果显示:①基于增加重量法和基于损失浮力法的直接计算法的计算结果完全吻合,证明了基于两种计算思路的直接计算法得到的计算结果是一致的;②基于直接计算法的计算结果和解析解完全吻合,证明了直接计算法的准确性和可行性。
3结论
本文提出了一种基于ABAQUS的破损船舶静稳性曲线的直接计算法,并通过一艘典型趸船破损后的静稳性曲线分析展示了直接计算法的计算过程,验证了该方法的准确性,得出主要结论如下:①本文提出的直接计算法是可以用来计算破损船舶的静稳性曲线的;②本文提出的直接计算法具备较高的精度;③無论是基于增加重量法的直接计算法还是基于损失浮力法的直接计算法,都能够得到准确的破损后船舶的静稳性曲线。
参考文献:
[1] 盛振邦,刘应中. 船舶原理,上海交通大学出版社,2004.
[2] Pekka Ruponen, Teemu Manderbacka, Daniel Lindroth, On the calculation of the righting lever curve for a damaged ship, Ocean Engineering, 2018 (149): 313-324.
[3] A Francescutto, A D Papanikolaou, Buoyancy, stability, and subdivision: from archimedes to SOLAS 2009 and the way ahead, Proc. IME M J. Eng. Marit. Environ. 2011(225):17–32.
[4] International convention for the safety of life at sea, International maritime organization,2001.
[5] 杨槱. 船舶静力学,科学教育编辑室,1963.
[6] Biran, A., Pulido, R.L., 2013. Ship Hydrostatics and Stability. Butterworth-heinemann。