计及多液舱晃荡的多尺度船体失稳倾覆评估方法与流程

1.本发明涉及船舶技术领域，尤其是一种计及多液舱晃荡的多尺度船体失稳倾覆评估方法。


背景技术：

2.船舶在实际海洋环境中运行时，即便是在海浪状态比较温和的情况下，都有可能突然遭遇顶浪或斜浪而引起船舶参数横摇等失稳模式引起船体失效，导致船舶产生超过30
°
的大幅横摇，甚至引起倾覆，影响安全。因此船舶航行过程中对于波浪稳性失效模式的评估，对于船舶的安全航行至关重要。
3.但是目前在进行波浪稳性失效模式评估，以对船体失稳倾覆的现象进行预报时，都是基于船舶为空壳船体的假设，主要考虑船舶外部线型和装载等的影响。但是实际对于油船、lng船等装载有舱内液体的船型，船舶在海浪中的运动会引起舱内液体的晃荡，而舱内液体的晃荡引起的载荷又会改变船体的大幅运动，此时舱内液体的晃荡与船体运动是相互耦合的，可能会进一步恶化船舶的稳定性，若采用现有的评估方法忽略舱内液体的晃荡的影响，则会导致评估结果的准确性较低，最终影响船舶航行安全。


技术实现要素：

4.本发明人针对上述问题及技术需求，提出了一种计及多液舱晃荡的多尺度船体失稳倾覆评估方法，本发明的技术方案如下：
5.一种计及多液舱晃荡的多尺度船体失稳倾覆评估方法，该方法包括：
6.将船体内部的流场按液舱划分为多个子流场，每个子流场构成一个局部粘流计算域，船体外部的流场构成势流计算域；
7.基于大地坐标系在每个局部粘流计算域基于对应的流场信息利用ns粘流方程同步求解得到每个液舱的舱室受力，并对所有液舱的舱室受力合成形成晃荡载荷力；
8.基于大地坐标系在势流计算域基于对应的流场信息利用拉普拉斯方程求解得到水动力；
9.由晃荡载荷力和水动力得到外部响应力；
10.采用弹簧约束控制船体航向，将外部响应力代入航行状态对应的船体运动模型中进行时域求解，更新船体内部和外部的流场的流场信息并进行多尺度迭代求解，直至满足迭代条件时得到对船体在波浪中航行时的失稳倾覆评估结果。
11.其进一步的技术方案为，进行多尺度迭代求解包括：
12.在迭代求解过程中，所有局部粘流计算域采用相同的时间步长同步迭代求解，局部粘流计算域和势流计算域采用不同的时间步长交互迭代求解，且局部粘流计算域的迭代求解速度快于势流计算域。
13.其进一步的技术方案为，在迭代求解的过程中，每隔δt1迭代求解每个液舱的舱室受力，每隔δt2迭代求解水动力，δt2＝k*δt1且k的取值与粘流内部迭代稳定平衡条件
相关。
14.其进一步的技术方案为，在每个局部粘流计算域求解得到对应液舱的每个壁面的垂直于壁面的受力，对液舱的所有壁面的受力进行力的合成得到液舱的舱室受力，对所有液舱的舱室的所有受力合成形成晃荡载荷力，包括：
15.在船体坐标系下对各个液舱的舱室受力进行力的合成，得到晃荡载荷力。
16.其进一步的技术方案为，该方法还包括：
17.将船体外部的流场按预定交界面划分为第一外部流场和第二外部流场，第一外部流场包括船体至预定交界面之间的流场区域，第二外部流场包括预定交界面至无穷远处的流场区域，第一外部流场构成rankine源势流计算域，第二外部流场构成时域green函数势流计算域。
18.其进一步的技术方案为，以沿着船长方向的长度为(1.5～2.0)l
pp
、沿着船宽方向的宽度为(0.6～0.8)b、沿着吃水方向的纵深为(0.4～0.8)d的三维区域的外表面为预定交界面，其中，l
pp
是船体的垂线间长，b是船体的船宽，d是船体的吃水深度。
19.其进一步的技术方案为，当船体的航行状态为顶浪状态时，对应的船体运动模型至少是包括垂荡
‑
横摇
‑
纵摇在内的三自由度数学方程。
20.其进一步的技术方案为，当船体的航行状态为斜浪状态时，对应的船体运动模型至少是包括垂荡
‑
横摇
‑
纵摇
‑
首摇在内的四自由度数学方程。
21.其进一步的技术方案为，当方法用于对船体在规则波中航行时的失稳倾覆评估时，若满足迭代条件时船体未失稳倾覆，则满足迭代条件时计算周期大于n个船体固有周期，且每个计算周期至少m个计算点。
22.其进一步的技术方案为，当方法用于对船体在不规则波中航行时的失稳倾覆评估时，若满足迭代条件时船体未失稳倾覆，则满足迭代条件时至少选择p个随机种子数进行重复计算且每次模拟时间不少于q。
23.本发明的有益技术效果是：
24.本技术公开了一种计及多液舱晃荡的多尺度船体失稳倾覆评估方法，该方法充分考虑了舱室气液大幅晃荡引起的砰击、破碎等非定常粘性现象，将多液舱晃荡产生的影响也进入评估过程中，使得对船体失稳倾覆评估更准确，而且也能充分利用势流方法在计算大幅运动计算时间上的优势，且还进一步考虑了船体大幅运动与自由面之间的大变形，相比于全粘流方法，大幅减小了计算网格，进而减小了计算时间和成本；相比于目前常用的势流方法，更好地处理和表征了气液两相大幅晃荡的粘性特征，从而在评估的精度和效率两方面都有优势，非常适合多舱晃荡耦合船体失稳倾覆运动的评估。
25.进一步的，本技术采用快慢双重尺度进行多尺度迭代求解，解决了粘流与势流时间特征不匹配的问题。而进一步将势流计算域划分为两个计算域的做法，更好地减小了面元和方程的数量，降低了计算时间。
附图说明
26.图1是本技术的多尺度船体失稳倾覆评估方法的流程示意图。
具体实施方式
27.下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明。
28.本技术公开了一种计及多液舱晃荡的多尺度船体失稳倾覆评估方法，请参考图1所示的流程图，该方法包括如下步骤：
29.1、划分流场区域：将船体内部的流场按液舱划分为多个子流场，每个子流场构成一个局部粘流计算域。船体外部的流场构成势流计算域。
30.每个液舱对应的子流场与船体外部的流场的交界面为液舱的壁面，满足壁面条件，每个液舱的壁面分别与船体外部的流场满足匹配条件，且各个液舱的壁面的边界协调统一。
31.在一个实施例中，对船体外部的流场进一步划分，将船体外部的流场按预定交界面划分为第一外部流场和第二外部流场，第一外部流场包括船体至预定交界面之间的流场区域，第二外部流场包括预定交界面至无穷远处的流场区域。两个外部流场之间的交界面为提到的预定交界面，第一外部流场和第二外部流畅的预定交界面满足流场信息的一致，包括速度势和速度势的导数的一致，该预定交界面的选取一方面需要能捕捉船体的大幅运动，另一方面需要足够小以减小计算量，为此可选的，以沿着船长方向的长度为(1.5～2.0)l
pp
、沿着船宽方向的宽度为(0.6～0.8)b、沿着吃水方向的纵深为(0.4～0.8)d的三维区域的外表面为预定交界面，其中，l
pp
是船体的垂线间长，b是船体的船宽，d是船体的吃水深度。
32.2、针对每个流场区域采用不同的计算原则进行计算。在本技术中，各部分流场区域的特征不同，因此本技术采用不同的计算方法：
33.(1)船体内部的流场由多个舱室组成，液舱晃荡产生的气液掺混、砰击、破碎等粘性影响明显，因此本技术采用采用ns粘流方程计算。
34.因此基于大地坐标系在每个局部粘流计算域基于对应的流场信息利用ns粘流方程同步求解得到每个液舱的舱室受力，实际还需要结合湍流方程。在每个局部粘流计算域求解得到对应液舱的每个壁面的垂直于壁面的受力，对一个液舱的所有壁面的受力进行力的合成得到该液舱的舱室受力，由于各个液舱所处的位置不同、形态各异，对船体产生的作用力不同，因此本技术将各个液舱的舱室受力映射到船体坐标系下，并在船体坐标系下对各个液舱的舱室受力进行力的合成得到晃荡载荷力。
35.(2)船体外部的流场构成势流计算域采用势流的方式进行计算，也即基于大地坐标系在势流计算域基于对应的流场信息利用拉普拉斯方程求解得到水动力。其中，水动力包括fk力、静水力、辐射力和绕射力，具体的，求解得到速度势，将速度势沿着船体表面积分可以得到辐射力和绕射力，将速度势沿着波面与船体表面形成的瞬时交界面进行压力积分获得的fk力和静水力。
36.进一步的，当划分形成两个外部流场时，第一外部流场靠近船体部分，需要考虑参数横摇及其它失稳模式中船体
‑
波浪的瞬时大幅运动，因此第一外部流场构成rankine源势流计算域，且由于船体与自由面存在大变形，故基于大地坐标系处理拉普拉斯方程的初边值问题。第二外部流场的关键在于尽可能减小计算单元和网格数量，因此第二外部流场构成时域green函数势流计算域，该函数自动满足线性自由面和远场辐射条件。则这一步实现为求解基于大地坐标系求解混合rankine源和时域green函数的势流计算域。
37.(3)由计算得到的晃荡载荷力和水动力即可得到外部响应力。采用弹簧约束控制
船体航向，将外部响应力代入航行状态对应的船体运动模型中进行时域求解。
38.在采用弹簧约束控制船体航向时，弹簧的固有周期至少大于15倍的船体固有周期，从而保证人为增加的弹簧不影响船舶的实际运动。
39.可选的，当船体的航行状态为顶浪状态时，对应的船体运动模型至少是包括垂荡
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横摇
‑
纵摇在内的三自由度数学方程。当船体的航行状态为斜浪状态时，对应的船体运动模型至少是包括垂荡
‑
横摇
‑
纵摇
‑
首摇在内的四自由度数学方程。在进行时域求解时，可以采用常见的四阶runge
‑
kutta方法。
40.(4)更新船体内部和外部的流场的流场信息并进行多尺度迭代求解，直至满足迭代条件时得到对船体在波浪中航行时的失稳倾覆评估结果。
41.其中多尺度迭代求解是指本技术针对粘流和势流采用了快慢双重时间尺度进行迭代求解，在迭代求解过程中，所有局部粘流计算域采用相同的时间步长同步迭代求解，局部粘流计算域和势流计算域采用不同的时间步长交互迭代求解，且局部粘流计算域的迭代求解速度快于势流计算域。进一步的，快慢尺度满足倍数关系，在迭代求解的过程中，每隔δt1迭代求解每个液舱的舱室受力，每隔δt2迭代求解水动力，δt2＝k*δt1且k的取值与粘流内部迭代稳定平衡条件相关，其中，粘流计算每次都能达到收敛，此时即达到粘流内部迭代稳定平衡条件。
42.其中，当该方法用于对船体在规则波中航行时的失稳倾覆评估时，若满足迭代条件时船体未失稳倾覆，则满足迭代条件时计算周期大于n个船体固有周期，且每个计算周期至少m个计算点。或者，当迭代至船体失稳倾覆时即确定满足迭代条件。m和n的取值根据实际经验确定，比如可以取n＝10、m＝200。
43.当该方法用于对船体在不规则波中航行时的失稳倾覆评估时，若满足迭代条件时船体未失稳倾覆，则满足迭代条件时至少选择p个随机种子数进行重复计算且每次模拟时间不少于q。或者，当迭代至船体失稳倾覆时即确定满足迭代条件。p和q的取值根据实际经验确定，比如可以取p＝10、q＝2小时。以确保失稳运动评估结果的可靠性。
44.以上所述的仅是本技术的优选实施方式，本发明不限于以上实施例。可以理解，本领域技术人员在不脱离本发明的精神和构思的前提下直接导出或联想到的其他改进和变化，均应认为包含在本发明的保护范围之内。