VLCC液艙晃蕩仿真及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度評(píng)估方法的深度剖析與創(chuàng)新研究一、引言1.1研究背景與意義在當(dāng)今全球化的經(jīng)濟(jì)格局中，海運(yùn)作為國(guó)際貿(mào)易的主要運(yùn)輸方式，承擔(dān)著超過(guò)90%的貨物運(yùn)輸量，在全球經(jīng)濟(jì)發(fā)展中扮演著舉足輕重的角色。在海運(yùn)的各類(lèi)船舶中，超大型油輪（VeryLargeCrudeCarrier，VLCC）以其龐大的運(yùn)載能力成為原油運(yùn)輸?shù)暮诵牧α俊LCC通常指載重噸位在20萬(wàn)噸以上的大型原油運(yùn)輸船，其單次運(yùn)輸量巨大，能夠顯著降低單位運(yùn)輸成本，提高運(yùn)輸效率。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球原油海運(yùn)量中，相當(dāng)大比例是由VLCC完成的，它們穿梭于世界各地的原油產(chǎn)區(qū)與消費(fèi)區(qū)之間，保障著全球能源的穩(wěn)定供應(yīng)。例如，從中東地區(qū)到亞洲的主要原油運(yùn)輸航線上，VLCC頻繁往來(lái)，滿足著亞洲地區(qū)不斷增長(zhǎng)的能源需求。然而，VLCC在運(yùn)輸過(guò)程中，液艙晃蕩問(wèn)題成為影響船舶安全與運(yùn)輸效率的關(guān)鍵因素。當(dāng)VLCC在海上航行時(shí)，由于受到風(fēng)浪流等環(huán)境載荷的作用，船體產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)，若船體運(yùn)動(dòng)頻率與液艙內(nèi)液體振動(dòng)的固有頻率相近，就會(huì)引發(fā)液艙內(nèi)液體的劇烈晃蕩。這種晃蕩現(xiàn)象具有很強(qiáng)的隨機(jī)性和流動(dòng)性，其產(chǎn)生的沖擊載荷會(huì)對(duì)船舶結(jié)構(gòu)和運(yùn)輸產(chǎn)生多方面的嚴(yán)重影響。從船舶結(jié)構(gòu)角度來(lái)看，長(zhǎng)期的液艙晃蕩會(huì)對(duì)船體結(jié)構(gòu)造成疲勞損傷。液艙晃蕩產(chǎn)生的沖擊壓力反復(fù)作用于艙壁等結(jié)構(gòu)部位，使這些部位承受交變應(yīng)力，隨著時(shí)間的累積，容易導(dǎo)致結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂紋、變形等問(wèn)題，從而縮短船舶的使用壽命。在極端情況下，晃蕩產(chǎn)生的巨大沖擊載荷甚至可能使艙壁發(fā)生破損，危及船舶的整體安全，如導(dǎo)致船舶進(jìn)水，嚴(yán)重時(shí)引發(fā)船舶傾覆等災(zāi)難性事故。從運(yùn)輸角度而言，液艙晃蕩會(huì)干擾船舶的穩(wěn)定性，使船舶的橫搖、縱搖運(yùn)動(dòng)加劇。這不僅會(huì)影響船上貨物的安全存儲(chǔ)，還可能導(dǎo)致貨物移位，進(jìn)一步影響船舶的穩(wěn)性，增加運(yùn)輸過(guò)程中的風(fēng)險(xiǎn)。此外，晃蕩還可能影響船舶的航行性能，如增加船舶的阻力，降低推進(jìn)效率，導(dǎo)致燃油消耗增加，從而提高運(yùn)輸成本。目前，對(duì)于液艙晃蕩的研究主要基于試驗(yàn)和經(jīng)驗(yàn)公式。試驗(yàn)方法雖然能夠在一定程度上獲取液艙晃蕩的實(shí)際數(shù)據(jù)，但需要在實(shí)際船舶或模型上開(kāi)展大量試驗(yàn)，不僅耗費(fèi)大量的時(shí)間和成本，而且由于試驗(yàn)條件的限制，很難全面模擬各種復(fù)雜的實(shí)際工況，難以保證試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性和全面性。經(jīng)驗(yàn)公式法雖然應(yīng)用相對(duì)簡(jiǎn)便，但適用性較為有限，它往往是基于特定的船型、工況和試驗(yàn)數(shù)據(jù)推導(dǎo)得出，無(wú)法適應(yīng)不同船型、航線以及復(fù)雜多變的實(shí)際航行環(huán)境的要求。因此，開(kāi)展更加精確、高效且具有廣泛適用性的液艙晃蕩仿真及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度評(píng)估方法的研究，對(duì)于VLCC的設(shè)計(jì)、運(yùn)營(yíng)和安全保障具有至關(guān)重要的意義。通過(guò)深入研究液艙晃蕩仿真及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度評(píng)估方法，能夠更加準(zhǔn)確地掌握液艙晃蕩的規(guī)律及其影響因素，為VLCC的設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)。在設(shè)計(jì)階段，可以根據(jù)仿真和評(píng)估結(jié)果，優(yōu)化液艙的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、內(nèi)部構(gòu)件布置以及裝載方案，從而有效降低液艙晃蕩的危害，提高船舶結(jié)構(gòu)的安全性和可靠性。在VLCC的運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，精確的液艙晃蕩仿真及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度評(píng)估方法可以為船舶的航行決策提供支持。通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和分析液艙晃蕩情況，合理調(diào)整船舶的航行狀態(tài)和裝載方案，避免在惡劣海況下發(fā)生危險(xiǎn)，保障船舶的安全航行，提高運(yùn)輸效率，降低運(yùn)輸成本。研究液艙晃蕩仿真及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度評(píng)估方法對(duì)于推動(dòng)船舶工程領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展具有重要作用，有助于提升我國(guó)在海運(yùn)領(lǐng)域的技術(shù)水平和國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀液艙晃蕩問(wèn)題因其對(duì)船舶安全與結(jié)構(gòu)性能的重大影響，長(zhǎng)期以來(lái)一直是船舶工程領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在該領(lǐng)域開(kāi)展了大量研究工作，在VLCC液艙晃蕩仿真和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度評(píng)估方面取得了一定的成果。國(guó)外在液艙晃蕩研究方面起步較早，取得了一系列具有影響力的成果。挪威船級(jí)社（DNV）聯(lián)合日本、韓國(guó)的船廠在晃蕩試驗(yàn)及數(shù)值計(jì)算方面投入了大量資源，處于國(guó)際領(lǐng)先地位。他們通過(guò)理論分析、試驗(yàn)研究和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，深入探究液艙晃蕩的機(jī)理和規(guī)律。在理論研究方面，DNV提出了基于壓力的液艙晃蕩分析方法，該方法在一定程度上能夠預(yù)測(cè)液艙晃蕩壓力，但也存在一些局限性，如對(duì)復(fù)雜液艙結(jié)構(gòu)和流體運(yùn)動(dòng)的模擬不夠準(zhǔn)確。在試驗(yàn)研究方面，國(guó)外建立了先進(jìn)的晃蕩模型實(shí)驗(yàn)設(shè)施，能夠模擬各種復(fù)雜的工況，獲取高精度的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。例如，利用高精度的壓力傳感器和高速攝像機(jī)，對(duì)液艙晃蕩過(guò)程中的壓力分布和液面形態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，為理論和數(shù)值研究提供了重要的驗(yàn)證依據(jù)。在數(shù)值模擬方面，國(guó)外廣泛應(yīng)用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）方法和有限元方法（FEM）。CFD方法通過(guò)求解Navier-Stokes方程，能夠?qū)σ号搩?nèi)流體的復(fù)雜運(yùn)動(dòng)進(jìn)行詳細(xì)模擬，包括自由液面的波動(dòng)、漩渦的形成等。FEM則用于模擬液艙結(jié)構(gòu)在晃蕩載荷作用下的響應(yīng)，分析結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、應(yīng)變分布。通過(guò)將CFD和FEM相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了流固耦合分析，更準(zhǔn)確地評(píng)估液艙晃蕩對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響。如利用商業(yè)軟件ANSYSCFX、FLUENT等進(jìn)行液艙晃蕩的CFD模擬，再將得到的晃蕩載荷加載到ANSYSMechanical中進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析。此外，國(guó)外還在液艙晃蕩的控制技術(shù)方面進(jìn)行了研究，提出了一些有效的減晃措施，如在液艙內(nèi)設(shè)置防晃板、優(yōu)化液艙結(jié)構(gòu)等。國(guó)內(nèi)對(duì)液艙晃蕩的研究也在不斷深入，取得了顯著進(jìn)展。中國(guó)船舶工業(yè)第七零八研究所、上海交通大學(xué)等科研機(jī)構(gòu)和高校在該領(lǐng)域開(kāi)展了大量研究工作。在理論研究方面，國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)液艙晃蕩的理論模型進(jìn)行了改進(jìn)和完善，提出了一些新的理論和方法。例如，針對(duì)傳統(tǒng)理論模型在處理復(fù)雜液艙結(jié)構(gòu)和流體運(yùn)動(dòng)時(shí)的不足，提出了基于勢(shì)流理論和邊界元法的改進(jìn)算法，提高了理論模型的計(jì)算精度和適用范圍。在試驗(yàn)研究方面，國(guó)內(nèi)建立了多個(gè)液艙晃蕩試驗(yàn)平臺(tái)，能夠開(kāi)展不同尺度和工況下的液艙晃蕩試驗(yàn)。通過(guò)試驗(yàn)，研究了液艙晃蕩的特性、影響因素以及晃蕩載荷的分布規(guī)律。如利用自主研發(fā)的液艙晃蕩試驗(yàn)裝置，對(duì)不同形狀液艙、不同裝載率下的液艙晃蕩進(jìn)行了試驗(yàn)研究，獲得了大量有價(jià)值的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。在數(shù)值模擬方面，國(guó)內(nèi)學(xué)者積極應(yīng)用CFD和FEM技術(shù)，開(kāi)發(fā)了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的液艙晃蕩仿真軟件。這些軟件在功能上不斷完善，能夠模擬復(fù)雜的液艙晃蕩現(xiàn)象和結(jié)構(gòu)響應(yīng)，為工程設(shè)計(jì)提供了有力的支持。同時(shí)，國(guó)內(nèi)還開(kāi)展了液艙晃蕩與船舶總體運(yùn)動(dòng)耦合的研究，考慮了船體在波浪中的運(yùn)動(dòng)對(duì)液艙晃蕩的影響，以及液艙晃蕩對(duì)船舶穩(wěn)性和操縱性的反作用。在液艙結(jié)構(gòu)強(qiáng)度評(píng)估方面，國(guó)內(nèi)學(xué)者提出了多種評(píng)估方法和準(zhǔn)則，結(jié)合工程實(shí)際，對(duì)液艙結(jié)構(gòu)的安全性進(jìn)行了全面評(píng)估。盡管?chē)?guó)內(nèi)外在VLCC液艙晃蕩仿真和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度評(píng)估方面取得了一定成果，但仍存在一些不足之處。在液艙晃蕩仿真方面，目前的數(shù)值模擬方法在計(jì)算精度和效率上還存在矛盾。CFD方法雖然能夠精確模擬流體運(yùn)動(dòng)，但計(jì)算量巨大，計(jì)算時(shí)間長(zhǎng)，難以滿足工程實(shí)際的快速計(jì)算需求。而一些簡(jiǎn)化的數(shù)值模型雖然計(jì)算效率較高，但在模擬復(fù)雜晃蕩現(xiàn)象時(shí)精度不足。此外，對(duì)于液艙晃蕩與船舶其他系統(tǒng)（如推進(jìn)系統(tǒng)、操縱系統(tǒng)）的耦合作用研究還不夠深入，缺乏全面考慮船舶整體性能的綜合仿真模型。在結(jié)構(gòu)強(qiáng)度評(píng)估方面，現(xiàn)有的評(píng)估方法大多基于線性彈性理論，對(duì)于液艙結(jié)構(gòu)在晃蕩載荷長(zhǎng)期作用下的非線性行為（如塑性變形、疲勞損傷）考慮不足。同時(shí)，在評(píng)估過(guò)程中，對(duì)材料性能的不確定性、結(jié)構(gòu)制造誤差等因素的影響研究較少，導(dǎo)致評(píng)估結(jié)果與實(shí)際情況存在一定偏差。在液艙晃蕩試驗(yàn)方面，雖然已經(jīng)開(kāi)展了大量試驗(yàn)，但由于試驗(yàn)條件的限制，難以完全模擬實(shí)際航行中的復(fù)雜海況和船舶運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，試驗(yàn)結(jié)果的外推性存在一定問(wèn)題。1.3研究目標(biāo)與內(nèi)容本研究旨在深入剖析VLCC液艙晃蕩的復(fù)雜現(xiàn)象，建立精確、高效且具有廣泛適用性的液艙晃蕩仿真及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度評(píng)估方法，為VLCC的設(shè)計(jì)、運(yùn)營(yíng)和安全保障提供堅(jiān)實(shí)的理論支持與技術(shù)指導(dǎo)。具體研究?jī)?nèi)容如下：建立液艙晃蕩仿真模型：綜合考慮VLCC在實(shí)際航行中可能遭遇的各種復(fù)雜因素，包括船體在波浪中的六自由度運(yùn)動(dòng)、不同海況條件（如波浪的高度、周期、方向等）、液艙的幾何形狀（如矩形、圓形、不規(guī)則形狀等）、內(nèi)部構(gòu)件（如防晃板、縱桁、橫艙壁等）的布置以及液體的物理性質(zhì)（密度、粘度、表面張力等）。運(yùn)用先進(jìn)的計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）方法，求解Navier-Stokes方程，精確模擬液艙內(nèi)液體的復(fù)雜運(yùn)動(dòng)，包括自由液面的波動(dòng)、漩渦的形成與發(fā)展、液體與艙壁及內(nèi)部構(gòu)件的相互作用等。同時(shí)，結(jié)合動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)，準(zhǔn)確處理由于船體運(yùn)動(dòng)和液體晃蕩導(dǎo)致的計(jì)算域變化問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)對(duì)液艙晃蕩現(xiàn)象的動(dòng)態(tài)模擬。探索結(jié)構(gòu)強(qiáng)度評(píng)估方法：基于建立的液艙晃蕩仿真模型，獲取液艙晃蕩產(chǎn)生的沖擊載荷，包括壓力分布、沖擊力大小和作用時(shí)間等。運(yùn)用有限元方法（FEM），建立液艙結(jié)構(gòu)的有限元模型，考慮材料的非線性特性（如塑性、疲勞等）以及結(jié)構(gòu)的幾何非線性（如大變形、屈曲等）。將晃蕩載荷施加到液艙結(jié)構(gòu)有限元模型上，分析結(jié)構(gòu)在晃蕩載荷作用下的應(yīng)力、應(yīng)變分布，評(píng)估結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。同時(shí)，考慮液艙結(jié)構(gòu)與船體其他結(jié)構(gòu)的相互作用，建立整體結(jié)構(gòu)模型，進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度評(píng)估，確保評(píng)估結(jié)果的準(zhǔn)確性和全面性。方法驗(yàn)證與優(yōu)化：通過(guò)與現(xiàn)有的試驗(yàn)數(shù)據(jù)、理論分析結(jié)果以及實(shí)際航行中的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證所建立的液艙晃蕩仿真及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度評(píng)估方法的準(zhǔn)確性和可靠性。針對(duì)驗(yàn)證過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題，對(duì)仿真模型和評(píng)估方法進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)，提高計(jì)算精度和效率。例如，優(yōu)化數(shù)值計(jì)算方法，減少計(jì)算誤差；采用并行計(jì)算技術(shù)，提高計(jì)算速度；改進(jìn)模型的邊界條件處理，使其更符合實(shí)際情況等。同時(shí)，開(kāi)展參數(shù)化研究，分析不同因素對(duì)液艙晃蕩和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響規(guī)律，為VLCC的設(shè)計(jì)和運(yùn)營(yíng)提供科學(xué)依據(jù)。1.4研究方法與技術(shù)路線本研究將綜合運(yùn)用數(shù)值模擬、有限元分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證等多種方法，從理論分析、數(shù)值計(jì)算和實(shí)驗(yàn)研究三個(gè)層面開(kāi)展對(duì)VLCC液艙晃蕩仿真及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度評(píng)估方法的研究。在數(shù)值模擬方面，運(yùn)用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）方法建立液艙晃蕩仿真模型。通過(guò)求解Navier-Stokes方程，精確模擬液艙內(nèi)液體的復(fù)雜運(yùn)動(dòng)，包括自由液面的波動(dòng)、漩渦的形成與發(fā)展等。利用CFD軟件（如ANSYSCFX、FLUENT等）強(qiáng)大的計(jì)算能力，對(duì)不同工況下的液艙晃蕩進(jìn)行模擬分析，得到液艙內(nèi)液體的速度場(chǎng)、壓力場(chǎng)等信息。同時(shí)，結(jié)合動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)，處理由于船體運(yùn)動(dòng)和液體晃蕩導(dǎo)致的計(jì)算域變化問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)對(duì)液艙晃蕩現(xiàn)象的動(dòng)態(tài)模擬。通過(guò)改變模型的參數(shù)，如船體運(yùn)動(dòng)參數(shù)、液艙幾何參數(shù)、液體物理參數(shù)等，進(jìn)行多工況模擬，研究各因素對(duì)液艙晃蕩的影響規(guī)律。在有限元分析方面，基于數(shù)值模擬得到的液艙晃蕩沖擊載荷，運(yùn)用有限元方法（FEM）建立液艙結(jié)構(gòu)的有限元模型。利用有限元軟件（如ANSYSMechanical、ABAQUS等）對(duì)液艙結(jié)構(gòu)在晃蕩載荷作用下的應(yīng)力、應(yīng)變分布進(jìn)行分析，評(píng)估結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和穩(wěn)定性?？紤]材料的非線性特性（如塑性、疲勞等）以及結(jié)構(gòu)的幾何非線性（如大變形、屈曲等），采用合適的材料本構(gòu)模型和非線性求解算法，提高分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。同時(shí)，建立液艙結(jié)構(gòu)與船體其他結(jié)構(gòu)的整體有限元模型，考慮結(jié)構(gòu)之間的相互作用，進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度評(píng)估。在實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證方面，設(shè)計(jì)并開(kāi)展液艙晃蕩實(shí)驗(yàn)。搭建液艙晃蕩實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，制作縮尺模型，模擬VLCC在實(shí)際航行中的各種工況。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，運(yùn)用高精度的壓力傳感器、加速度傳感器、高速攝像機(jī)等設(shè)備，對(duì)液艙晃蕩過(guò)程中的壓力分布、液面形態(tài)、結(jié)構(gòu)響應(yīng)等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)采集。將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬和有限元分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證所建立的仿真模型和評(píng)估方法的準(zhǔn)確性和可靠性。針對(duì)驗(yàn)證過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題，對(duì)模型和方法進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)，提高計(jì)算精度和效率。本研究的技術(shù)路線如圖1所示：首先，收集和整理相關(guān)資料，包括VLCC的船型參數(shù)、航行數(shù)據(jù)、液艙結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)資料等，為后續(xù)研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。其次，基于CFD方法建立液艙晃蕩仿真模型，進(jìn)行數(shù)值模擬分析，得到液艙晃蕩的相關(guān)參數(shù)和特性。然后，根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，運(yùn)用FEM方法建立液艙結(jié)構(gòu)有限元模型，進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度評(píng)估。接著，設(shè)計(jì)并開(kāi)展液艙晃蕩實(shí)驗(yàn)，對(duì)數(shù)值模擬和有限元分析結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。最后，根據(jù)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果，對(duì)仿真模型和評(píng)估方法進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)，形成一套完整、精確的VLCC液艙晃蕩仿真及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度評(píng)估方法，并將其應(yīng)用于實(shí)際工程中，為VLCC的設(shè)計(jì)、運(yùn)營(yíng)和安全保障提供支持。[此處插入技術(shù)路線圖，圖中應(yīng)清晰展示從資料收集到模型建立、模擬分析、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證以及方法優(yōu)化和應(yīng)用的整個(gè)流程，各環(huán)節(jié)之間用箭頭表示邏輯關(guān)系和數(shù)據(jù)流向]二、VLCC液艙晃蕩理論基礎(chǔ)2.1液艙晃蕩現(xiàn)象及分類(lèi)液艙晃蕩是一種在船舶工程中較為常見(jiàn)且復(fù)雜的流體運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象，當(dāng)VLCC在海上航行時(shí)，受到風(fēng)、浪、流等環(huán)境載荷以及船舶自身運(yùn)動(dòng)的影響，液艙內(nèi)具有自由液面的液體便會(huì)產(chǎn)生劇烈的自由表面波動(dòng)，即液艙晃蕩現(xiàn)象。其發(fā)生過(guò)程通常伴隨著船體的運(yùn)動(dòng)，船體在波浪中作六自由度運(yùn)動(dòng)（包括橫蕩、縱蕩、垂蕩、橫搖、縱搖和艏搖），這些運(yùn)動(dòng)通過(guò)液體與船體之間的相互作用，傳遞給液艙內(nèi)的液體，從而引發(fā)液艙晃蕩。當(dāng)船體運(yùn)動(dòng)的頻率與液艙內(nèi)液體振動(dòng)的固有頻率相近時(shí)，會(huì)發(fā)生共振現(xiàn)象，導(dǎo)致液艙晃蕩加劇，產(chǎn)生更強(qiáng)烈的沖擊載荷。液艙晃蕩產(chǎn)生的晃蕩波主要有駐波、行波、水躍等類(lèi)型，它們各自具有獨(dú)特的形成條件和特征。駐波是液艙晃蕩中較為常見(jiàn)的一種波型，當(dāng)液艙內(nèi)的液體在特定的激勵(lì)下，液體的振動(dòng)在某些位置形成波腹和波節(jié)，波腹處液體的振幅最大，波節(jié)處振幅為零。駐波的形成條件與液艙的幾何形狀、尺寸以及液體的深度密切相關(guān)。對(duì)于矩形液艙，當(dāng)激勵(lì)頻率滿足一定條件時(shí)，容易在液艙內(nèi)形成駐波。例如，當(dāng)激勵(lì)頻率與液艙內(nèi)液體的固有頻率滿足特定的倍數(shù)關(guān)系時(shí)，就會(huì)激發(fā)特定階數(shù)的駐波，如一階駐波、二階駐波等。在一階駐波中，液艙內(nèi)會(huì)出現(xiàn)一個(gè)波腹和兩個(gè)波節(jié)，液體在波腹處上下劇烈振蕩，而在波節(jié)處相對(duì)靜止。駐波的存在會(huì)使液艙壁在波腹處受到較大的沖擊力，長(zhǎng)期作用可能導(dǎo)致艙壁結(jié)構(gòu)的疲勞損傷。行波則是液體在液艙內(nèi)沿某一方向傳播的波動(dòng)形式。當(dāng)船體的運(yùn)動(dòng)或外界激勵(lì)使得液艙內(nèi)液體產(chǎn)生定向的流動(dòng)趨勢(shì)時(shí)，就可能形成行波。行波的傳播速度和波長(zhǎng)與液艙的尺寸、液體的物理性質(zhì)以及激勵(lì)的特性有關(guān)。在VLCC的液艙中，由于液艙尺寸較大，行波在傳播過(guò)程中可能會(huì)與艙壁發(fā)生多次反射，導(dǎo)致液艙內(nèi)的流場(chǎng)更加復(fù)雜。行波對(duì)液艙結(jié)構(gòu)的作用與駐波有所不同，它會(huì)在傳播過(guò)程中對(duì)艙壁產(chǎn)生持續(xù)的壓力作用，壓力的大小和分布隨時(shí)間和空間不斷變化，這種變化的壓力作用在艙壁上，可能引發(fā)艙壁的局部變形和應(yīng)力集中。水躍是一種特殊的晃蕩波，通常發(fā)生在液體流速發(fā)生急劇變化的區(qū)域。當(dāng)液艙內(nèi)的液體由于船體運(yùn)動(dòng)或其他因素導(dǎo)致流速突然改變時(shí)，例如液體從高速流動(dòng)區(qū)域進(jìn)入低速流動(dòng)區(qū)域，就可能產(chǎn)生水躍現(xiàn)象。水躍的特征是在液面上形成一個(gè)明顯的躍變區(qū)域，在這個(gè)區(qū)域內(nèi)，液體的流速、壓力和水位等參數(shù)會(huì)發(fā)生急劇變化。水躍產(chǎn)生時(shí)，會(huì)伴隨著大量的能量耗散，同時(shí)對(duì)液艙壁面產(chǎn)生巨大的沖擊力。在VLCC的液艙中，水躍現(xiàn)象往往出現(xiàn)在液艙的角落、內(nèi)部構(gòu)件附近等區(qū)域，這些區(qū)域由于流道的變化，容易導(dǎo)致液體流速的突變，從而引發(fā)水躍。水躍產(chǎn)生的巨大沖擊力對(duì)液艙結(jié)構(gòu)的破壞作用較為顯著，可能導(dǎo)致艙壁局部結(jié)構(gòu)的損壞。2.2晃蕩產(chǎn)生的原因及影響因素液艙晃蕩的產(chǎn)生和發(fā)展受到多種復(fù)雜因素的綜合影響，這些因素相互作用，使得液艙晃蕩現(xiàn)象具有很強(qiáng)的隨機(jī)性和復(fù)雜性。深入研究這些影響因素，對(duì)于準(zhǔn)確理解液艙晃蕩的機(jī)理、建立精確的仿真模型以及評(píng)估其對(duì)船舶結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響至關(guān)重要。船體運(yùn)動(dòng)是引發(fā)液艙晃蕩的關(guān)鍵外部激勵(lì)因素之一。當(dāng)VLCC在海上航行時(shí)，不可避免地會(huì)受到風(fēng)、浪、流等環(huán)境載荷的作用，從而產(chǎn)生六自由度運(yùn)動(dòng)，即橫蕩、縱蕩、垂蕩、橫搖、縱搖和艏搖。這些運(yùn)動(dòng)通過(guò)液體與船體之間的相互作用，傳遞給液艙內(nèi)的液體，激發(fā)液艙晃蕩。不同類(lèi)型的船體運(yùn)動(dòng)對(duì)液艙晃蕩的影響各具特點(diǎn)。橫搖運(yùn)動(dòng)使得船體繞縱軸發(fā)生周期性轉(zhuǎn)動(dòng)，這種轉(zhuǎn)動(dòng)會(huì)導(dǎo)致液艙內(nèi)液體在橫向上產(chǎn)生明顯的位移和速度變化，進(jìn)而引發(fā)強(qiáng)烈的晃蕩。例如，當(dāng)船體橫搖角度較大時(shí)，液艙內(nèi)的液體可能會(huì)在一側(cè)堆積，形成較高的液面，隨后在重力和慣性力的作用下，向另一側(cè)快速流動(dòng)，產(chǎn)生劇烈的晃蕩波?？v搖運(yùn)動(dòng)則使船體繞橫軸轉(zhuǎn)動(dòng)，主要影響液艙內(nèi)液體在縱向的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，引發(fā)縱向的晃蕩。在縱搖過(guò)程中，液艙前端和后端的液體可能會(huì)交替地涌起和落下，形成縱向的行波或駐波。垂蕩運(yùn)動(dòng)使船體在垂直方向上做上下起伏運(yùn)動(dòng)，這種運(yùn)動(dòng)會(huì)改變液艙內(nèi)液體的壓力分布，當(dāng)垂蕩頻率與液艙內(nèi)液體的固有頻率接近時(shí)，容易引發(fā)共振，導(dǎo)致晃蕩加劇。橫蕩、縱蕩和艏搖運(yùn)動(dòng)雖然對(duì)液艙晃蕩的直接影響相對(duì)較小，但它們會(huì)改變船體與波浪的相對(duì)位置和角度，間接影響波浪對(duì)船體的作用方式，從而對(duì)液艙晃蕩產(chǎn)生一定的影響。此外，船體運(yùn)動(dòng)的頻率與液艙內(nèi)液體振動(dòng)的固有頻率之間的關(guān)系對(duì)晃蕩的劇烈程度起著決定性作用。當(dāng)兩者相近時(shí)，會(huì)發(fā)生共振現(xiàn)象，液艙晃蕩的振幅會(huì)急劇增大，產(chǎn)生更強(qiáng)烈的沖擊載荷。研究表明，共振時(shí)的晃蕩壓力可能是正常情況下的數(shù)倍甚至數(shù)十倍，對(duì)液艙結(jié)構(gòu)的破壞作用極大。液艙幾何形狀是影響液艙晃蕩的重要內(nèi)部因素之一。不同的液艙幾何形狀會(huì)導(dǎo)致液艙內(nèi)液體的流動(dòng)特性和晃蕩模式存在顯著差異。矩形液艙是VLCC中較為常見(jiàn)的液艙形狀之一，其邊界條件相對(duì)簡(jiǎn)單，便于進(jìn)行理論分析和數(shù)值模擬。在矩形液艙中，當(dāng)受到外部激勵(lì)時(shí)，液體容易在艙壁之間來(lái)回反射，形成駐波或行波。例如，在特定的激勵(lì)頻率下，矩形液艙內(nèi)可能會(huì)出現(xiàn)一階駐波，此時(shí)液艙中心處的液面振幅最大，而兩端的振幅為零。圓形液艙的幾何形狀具有軸對(duì)稱(chēng)性，液體在其中的流動(dòng)相對(duì)較為均勻，但在某些情況下也會(huì)出現(xiàn)復(fù)雜的晃蕩現(xiàn)象。圓形液艙內(nèi)的液體在受到激勵(lì)時(shí)，會(huì)形成環(huán)形的波動(dòng)，并且在中心區(qū)域和邊緣區(qū)域的流動(dòng)特性有所不同。不規(guī)則形狀的液艙，如具有傾斜艙壁或特殊內(nèi)部結(jié)構(gòu)的液艙，其晃蕩現(xiàn)象更為復(fù)雜。由于液艙邊界的不規(guī)則性，液體在流動(dòng)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生更多的漩渦和二次流，導(dǎo)致晃蕩波的傳播和相互作用更加復(fù)雜，增加了晃蕩壓力的分布不均勻性。液艙的尺寸大小也對(duì)晃蕩有重要影響。一般來(lái)說(shuō)，液艙尺寸越大，液體的慣性越大，晃蕩的固有頻率越低，在相同的外部激勵(lì)下，更容易發(fā)生共振，且晃蕩的振幅和沖擊力也會(huì)更大。液體裝載深度對(duì)液艙晃蕩也有顯著影響。當(dāng)液體裝載深度較淺時(shí)，液艙內(nèi)液體的自由液面相對(duì)較大，液體的晃動(dòng)空間較為充足，在受到外部激勵(lì)時(shí)，容易產(chǎn)生較大幅度的晃蕩。此時(shí)，液體與艙壁的碰撞更為頻繁，晃蕩壓力在艙壁上的分布也更為分散。例如，在淺裝載情況下，液艙內(nèi)可能會(huì)出現(xiàn)較大的行波，行波在傳播過(guò)程中與艙壁碰撞，產(chǎn)生較大的沖擊力。隨著液體裝載深度的增加，液艙內(nèi)液體的自由液面相對(duì)減小，液體的晃動(dòng)受到一定限制，晃蕩的幅度會(huì)有所減小。然而，當(dāng)裝載深度達(dá)到一定程度時(shí)，由于液體的慣性增大，且液艙內(nèi)的流場(chǎng)分布發(fā)生變化，可能會(huì)在某些特定頻率下引發(fā)更為劇烈的晃蕩，特別是當(dāng)裝載深度接近液艙固有頻率對(duì)應(yīng)的臨界深度時(shí)，共振效應(yīng)可能會(huì)更加明顯。液體裝載深度的變化還會(huì)影響液艙內(nèi)液體的重心位置，進(jìn)而影響船舶的穩(wěn)性，而船舶穩(wěn)性的改變又會(huì)反過(guò)來(lái)影響船體的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)，間接對(duì)液艙晃蕩產(chǎn)生影響。2.3液艙晃蕩對(duì)VLCC結(jié)構(gòu)的危害液艙晃蕩對(duì)VLCC結(jié)構(gòu)的危害是多方面且嚴(yán)重的，其產(chǎn)生的高壓沖擊是引發(fā)一系列結(jié)構(gòu)問(wèn)題的關(guān)鍵因素，對(duì)VLCC的安全運(yùn)營(yíng)構(gòu)成了重大威脅?；问幃a(chǎn)生的高壓沖擊會(huì)導(dǎo)致液艙結(jié)構(gòu)的疲勞損傷。當(dāng)VLCC在海上航行時(shí)，液艙內(nèi)液體的晃蕩是一個(gè)持續(xù)的動(dòng)態(tài)過(guò)程，晃蕩產(chǎn)生的沖擊壓力會(huì)周期性地作用于液艙壁、艙底以及內(nèi)部構(gòu)件等結(jié)構(gòu)部位。這些結(jié)構(gòu)部位在交變應(yīng)力的反復(fù)作用下，逐漸積累疲勞損傷。例如，液艙壁在晃蕩壓力的頻繁沖擊下，其材料內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生變化，晶體結(jié)構(gòu)逐漸出現(xiàn)滑移、位錯(cuò)等現(xiàn)象，導(dǎo)致材料的疲勞性能下降。隨著航行時(shí)間的增加和晃蕩次數(shù)的增多，這些微觀損傷不斷積累，最終在結(jié)構(gòu)表面形成微小裂紋。這些裂紋會(huì)在后續(xù)的晃蕩載荷作用下逐漸擴(kuò)展，當(dāng)裂紋擴(kuò)展到一定程度時(shí)，就會(huì)影響結(jié)構(gòu)的整體強(qiáng)度，降低液艙結(jié)構(gòu)的使用壽命。據(jù)相關(guān)研究表明，在液艙晃蕩較為嚴(yán)重的情況下，液艙結(jié)構(gòu)的疲勞壽命可能會(huì)縮短20%-50%，大大增加了船舶維修和更換結(jié)構(gòu)部件的成本和風(fēng)險(xiǎn)。液艙晃蕩的高壓沖擊還可能導(dǎo)致液艙結(jié)構(gòu)發(fā)生塑性變形。當(dāng)晃蕩產(chǎn)生的沖擊壓力超過(guò)液艙結(jié)構(gòu)材料的屈服強(qiáng)度時(shí)，結(jié)構(gòu)就會(huì)發(fā)生塑性變形。在液艙的一些關(guān)鍵部位，如艙頂角隅處、水平桁材與垂直壁交線附近等，由于流場(chǎng)的復(fù)雜性和壓力分布的不均勻性，這些部位更容易受到較大的晃蕩壓力作用。在這些部位，晃蕩壓力可能會(huì)瞬間達(dá)到很高的值，使得結(jié)構(gòu)材料進(jìn)入塑性狀態(tài)。塑性變形會(huì)改變液艙結(jié)構(gòu)的幾何形狀和尺寸，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的承載能力下降。例如，液艙壁的局部塑性變形可能會(huì)使艙壁的平整度受到破壞，在后續(xù)的晃蕩過(guò)程中，這些變形部位會(huì)承受更大的應(yīng)力，進(jìn)一步加劇結(jié)構(gòu)的損壞。如果塑性變形較為嚴(yán)重，還可能導(dǎo)致液艙結(jié)構(gòu)的局部失穩(wěn)，影響船舶的整體安全性。在極端情況下，液艙晃蕩的高壓沖擊甚至可能導(dǎo)致液艙結(jié)構(gòu)發(fā)生撕裂。當(dāng)晃蕩壓力超過(guò)結(jié)構(gòu)材料的極限強(qiáng)度時(shí)，結(jié)構(gòu)就會(huì)發(fā)生斷裂。這種情況通常發(fā)生在液艙結(jié)構(gòu)存在缺陷或疲勞損傷較為嚴(yán)重的部位。例如，在液艙結(jié)構(gòu)的焊接部位，如果焊接質(zhì)量不佳，存在氣孔、夾渣等缺陷，這些部位在晃蕩壓力的作用下就容易成為應(yīng)力集中點(diǎn)，當(dāng)應(yīng)力集中超過(guò)材料的極限強(qiáng)度時(shí)，就會(huì)引發(fā)裂紋的快速擴(kuò)展，最終導(dǎo)致結(jié)構(gòu)撕裂。液艙結(jié)構(gòu)的撕裂會(huì)造成液艙的破損，導(dǎo)致液體泄漏，這不僅會(huì)造成貨物損失，還可能引發(fā)環(huán)境污染和安全事故。在嚴(yán)重情況下，液體泄漏可能會(huì)導(dǎo)致船舶的穩(wěn)性喪失，引發(fā)船舶傾覆，造成災(zāi)難性后果。三、VLCC液艙晃蕩仿真方法3.1常用仿真軟件及原理在VLCC液艙晃蕩仿真領(lǐng)域，多種先進(jìn)的軟件被廣泛應(yīng)用，這些軟件基于不同的原理，各自展現(xiàn)出獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)和適用場(chǎng)景，為研究人員深入探究液艙晃蕩現(xiàn)象提供了強(qiáng)大的工具。Fluent是一款極具代表性的計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）軟件，在液艙晃蕩仿真中發(fā)揮著重要作用。它基于有限體積法，將計(jì)算區(qū)域劃分為一系列控制體積，通過(guò)對(duì)控制體積內(nèi)的守恒方程進(jìn)行離散化處理，求解Navier-Stokes方程來(lái)模擬流體的流動(dòng)。在液艙晃蕩仿真中，F(xiàn)luent采用VOF（VolumeofFluid）多相流模型來(lái)追蹤氣液界面。VOF模型的核心思想是通過(guò)求解一個(gè)標(biāo)量函數(shù)（體積分?jǐn)?shù)）來(lái)確定氣液兩相的分布，該標(biāo)量函數(shù)表示某一控制體積內(nèi)液體所占的體積比例。當(dāng)體積分?jǐn)?shù)為0時(shí)，表示該控制體積內(nèi)全是氣體；當(dāng)體積分?jǐn)?shù)為1時(shí)，表示全是液體；介于0和1之間則表示處于氣液界面。通過(guò)這種方式，F(xiàn)luent能夠精確地捕捉液艙內(nèi)自由液面的波動(dòng)，包括液面的起伏、破碎和飛濺等復(fù)雜現(xiàn)象。Fluent還具備豐富的湍流模型，如k-ε模型、k-ωSST模型等。這些湍流模型用于模擬液艙內(nèi)液體的湍流運(yùn)動(dòng)，考慮了湍流對(duì)流體動(dòng)量、能量和質(zhì)量傳輸?shù)挠绊懀沟梅抡娼Y(jié)果更加符合實(shí)際情況。例如，在模擬VLCC液艙晃蕩時(shí)，k-ωSST模型能夠較好地捕捉到液艙內(nèi)復(fù)雜的湍流結(jié)構(gòu)，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)晃蕩過(guò)程中液體的速度分布和壓力變化。ANSYSCFX同樣是一款知名的CFD軟件，在液艙晃蕩仿真中也得到了廣泛應(yīng)用。它基于有限元法，將計(jì)算區(qū)域離散為有限個(gè)單元，通過(guò)在單元上構(gòu)建插值函數(shù)來(lái)逼近控制方程的解。ANSYSCFX采用基于壓力的求解器，能夠高效地求解不可壓縮流體的Navier-Stokes方程。在處理液艙晃蕩問(wèn)題時(shí)，ANSYSCFX運(yùn)用先進(jìn)的數(shù)值算法和優(yōu)化技術(shù)，提高了計(jì)算效率和精度。它支持多種網(wǎng)格類(lèi)型，包括結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格、非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格和混合網(wǎng)格。在液艙晃蕩仿真中，對(duì)于復(fù)雜的液艙幾何形狀，非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格能夠更好地適應(yīng)其邊界條件，提高網(wǎng)格劃分的質(zhì)量和效率。而在一些規(guī)則區(qū)域，結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格則可以提高計(jì)算精度和速度。ANSYSCFX還具備強(qiáng)大的后處理功能，能夠直觀地展示液艙晃蕩過(guò)程中的各種物理量分布，如壓力云圖、速度矢量圖等，方便研究人員分析和理解晃蕩現(xiàn)象。MSC/DYTRAN是一款功能強(qiáng)大的有限元軟件，常用于液艙晃蕩與結(jié)構(gòu)響應(yīng)的耦合分析。它采用顯式積分法求解控制方程，能夠高效地處理高度非線性和瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)問(wèn)題。在液艙晃蕩仿真中，MSC/DYTRAN將結(jié)構(gòu)采用拉格朗日網(wǎng)格模擬，流體采用歐拉網(wǎng)格模擬，通過(guò)任意拉格朗日－歐拉（ALE）耦合技術(shù)實(shí)現(xiàn)流體與結(jié)構(gòu)的耦合。拉格朗日網(wǎng)格隨結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)而變形，能夠準(zhǔn)確地描述結(jié)構(gòu)的大變形和材料的非線性行為。歐拉網(wǎng)格則固定在空間中，用于描述流體的運(yùn)動(dòng)。ALE耦合技術(shù)允許網(wǎng)格在拉格朗日和歐拉描述之間自由切換，從而有效地處理流體與結(jié)構(gòu)之間的相互作用。例如，在模擬VLCC液艙晃蕩對(duì)艙壁結(jié)構(gòu)的影響時(shí)，MSC/DYTRAN能夠準(zhǔn)確地計(jì)算晃蕩流體對(duì)艙壁的沖擊載荷，以及艙壁在載荷作用下的應(yīng)力、應(yīng)變和變形響應(yīng)。3.2基于CFD的液艙晃蕩仿真模型建立3.2.1模型簡(jiǎn)化與假設(shè)在建立VLCC液艙晃蕩的CFD仿真模型時(shí)，為了在保證計(jì)算精度的前提下提高計(jì)算效率，需要對(duì)液艙結(jié)構(gòu)和流體進(jìn)行合理的簡(jiǎn)化與假設(shè)。對(duì)于液艙結(jié)構(gòu)，雖然VLCC的實(shí)際液艙結(jié)構(gòu)復(fù)雜，包含眾多加強(qiáng)筋、扶強(qiáng)材、人孔等附屬結(jié)構(gòu)，但在仿真中，可根據(jù)實(shí)際情況對(duì)其進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化。將這些附屬結(jié)構(gòu)的影響等效為對(duì)液艙整體剛度和質(zhì)量的貢獻(xiàn)，從而簡(jiǎn)化幾何模型。對(duì)于一些對(duì)液艙晃蕩影響較小的微小結(jié)構(gòu)，如尺寸遠(yuǎn)小于液艙整體尺寸的小型加強(qiáng)筋或人孔等，可直接忽略。通過(guò)這樣的簡(jiǎn)化，既能減少網(wǎng)格劃分的復(fù)雜度和計(jì)算量，又能避免因微小結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的計(jì)算不穩(wěn)定性。在考慮液艙的整體形狀時(shí)，通常將其簡(jiǎn)化為規(guī)則的幾何形狀，如矩形或圓柱形。對(duì)于一些具有復(fù)雜曲面的液艙，可采用近似的方法將其轉(zhuǎn)化為規(guī)則形狀，以方便進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。在模擬液艙內(nèi)的內(nèi)部構(gòu)件時(shí)，如防晃板，可根據(jù)其實(shí)際作用和分布情況進(jìn)行簡(jiǎn)化。如果防晃板的數(shù)量較多且分布較為均勻，可將其等效為一種具有特定阻尼特性的連續(xù)介質(zhì)，而不是對(duì)每一塊防晃板進(jìn)行詳細(xì)建模。這樣可以在一定程度上簡(jiǎn)化模型，同時(shí)又能反映防晃板對(duì)液艙晃蕩的抑制作用。在對(duì)流體進(jìn)行假設(shè)時(shí)，通常假定液體為不可壓縮流體。這是因?yàn)樵诖蠖鄶?shù)情況下，VLCC液艙內(nèi)的液體（如原油）在正常的壓力和溫度變化范圍內(nèi)，其密度變化非常小，可近似認(rèn)為是不可壓縮的。這種假設(shè)能夠大大簡(jiǎn)化Navier-Stokes方程的求解過(guò)程，提高計(jì)算效率。忽略液體的粘性對(duì)晃蕩的影響。雖然在實(shí)際情況中，液體具有一定的粘性，但在液艙晃蕩的主要過(guò)程中，慣性力起主導(dǎo)作用，粘性力相對(duì)較小。在一些初步的研究或?qū)τ?jì)算精度要求不是特別高的情況下，忽略粘性力可以簡(jiǎn)化計(jì)算，并且不會(huì)對(duì)晃蕩的主要特征產(chǎn)生較大影響。若需要考慮粘性力的影響，可采用合適的湍流模型進(jìn)行修正。不考慮表面張力對(duì)液艙晃蕩的作用。表面張力主要影響微小尺度下的流體行為，而在VLCC液艙晃蕩中，液體的運(yùn)動(dòng)尺度較大，表面張力的作用相對(duì)較弱。因此，在一般的仿真中，可以忽略表面張力，以簡(jiǎn)化模型。只有在一些特殊情況下，如研究液艙晃蕩過(guò)程中微小液滴的飛濺等現(xiàn)象時(shí)，才需要考慮表面張力的影響。3.2.2網(wǎng)格劃分技術(shù)網(wǎng)格劃分是CFD仿真中至關(guān)重要的環(huán)節(jié)，其質(zhì)量直接影響到計(jì)算結(jié)果的精度和計(jì)算效率。在VLCC液艙晃蕩仿真中，常用的網(wǎng)格劃分方法包括結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格和非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，它們各自具有獨(dú)特的特點(diǎn)和適用場(chǎng)景。結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格是由規(guī)則排列的單元組成，節(jié)點(diǎn)之間具有固定的連接關(guān)系，如六面體、四邊形等。在液艙晃蕩仿真中，對(duì)于形狀規(guī)則的液艙，如矩形液艙，結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格具有明顯的優(yōu)勢(shì)。它可以根據(jù)液艙的幾何形狀，在三個(gè)方向上均勻或非均勻地劃分網(wǎng)格，使得網(wǎng)格與液艙邊界精確貼合。這種精確的貼合能夠準(zhǔn)確地捕捉液艙邊界的物理信息，減少邊界誤差，從而提高計(jì)算精度。結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，存儲(chǔ)和計(jì)算效率高，便于進(jìn)行快速的數(shù)值計(jì)算。在生成結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格時(shí)，可以通過(guò)調(diào)整網(wǎng)格間距來(lái)控制網(wǎng)格的疏密程度。在液艙內(nèi)流體運(yùn)動(dòng)較為劇烈的區(qū)域，如自由液面附近和艙壁拐角處，加密網(wǎng)格，以提高對(duì)這些區(qū)域流場(chǎng)細(xì)節(jié)的捕捉能力；而在流體運(yùn)動(dòng)相對(duì)平穩(wěn)的區(qū)域，適當(dāng)增大網(wǎng)格間距，減少網(wǎng)格數(shù)量，降低計(jì)算量。結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格也存在一定的局限性，它對(duì)復(fù)雜幾何形狀的適應(yīng)性較差。對(duì)于具有不規(guī)則形狀或內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜的液艙，結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的劃分難度較大，甚至可能無(wú)法實(shí)現(xiàn)。非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格則由不規(guī)則排列的單元組成，單元類(lèi)型可以是四面體、三角形、棱錐等。非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的最大優(yōu)點(diǎn)是對(duì)復(fù)雜幾何形狀具有很強(qiáng)的適應(yīng)性。在VLCC液艙晃蕩仿真中，對(duì)于具有復(fù)雜內(nèi)部構(gòu)件（如眾多不規(guī)則布置的加強(qiáng)筋、防晃板等）或不規(guī)則形狀的液艙，非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格能夠更好地貼合這些復(fù)雜的邊界條件。它可以根據(jù)液艙的幾何形狀和內(nèi)部結(jié)構(gòu)，靈活地生成各種形狀和大小的單元，從而準(zhǔn)確地描述液艙的幾何特征。非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格在局部加密和細(xì)化方面也更加方便?？梢愿鶕?jù)流場(chǎng)的特點(diǎn)，在需要重點(diǎn)關(guān)注的區(qū)域（如液艙內(nèi)的漩渦區(qū)域、高壓力梯度區(qū)域等）進(jìn)行局部網(wǎng)格加密，而不影響其他區(qū)域的網(wǎng)格分布，這樣既能提高對(duì)關(guān)鍵區(qū)域的計(jì)算精度，又能有效地控制網(wǎng)格總數(shù)，降低計(jì)算成本。非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格也存在一些缺點(diǎn)，其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，計(jì)算過(guò)程中的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和處理量較大，導(dǎo)致計(jì)算效率相對(duì)較低。而且，非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的質(zhì)量對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響較大，如果網(wǎng)格質(zhì)量不佳（如存在畸形單元），可能會(huì)導(dǎo)致計(jì)算精度下降甚至計(jì)算失敗。為了提高計(jì)算精度與效率，在實(shí)際應(yīng)用中，常常采用混合網(wǎng)格劃分技術(shù)，結(jié)合結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格和非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的優(yōu)點(diǎn)。在液艙的主體部分，由于形狀相對(duì)規(guī)則，可采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，以保證計(jì)算效率和精度；而在液艙的復(fù)雜區(qū)域，如內(nèi)部構(gòu)件附近和不規(guī)則邊界處，采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，以實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜幾何形狀的準(zhǔn)確描述。在網(wǎng)格劃分過(guò)程中，還可以采用自適應(yīng)網(wǎng)格技術(shù)。該技術(shù)能夠根據(jù)計(jì)算過(guò)程中流場(chǎng)的變化情況，自動(dòng)調(diào)整網(wǎng)格的疏密程度。在液艙晃蕩過(guò)程中，當(dāng)流場(chǎng)中的某個(gè)區(qū)域出現(xiàn)劇烈變化（如液面破碎、漩渦形成等）時(shí)，自適應(yīng)網(wǎng)格技術(shù)可以自動(dòng)對(duì)該區(qū)域的網(wǎng)格進(jìn)行加密，以更好地捕捉流場(chǎng)的細(xì)節(jié)信息；而當(dāng)流場(chǎng)趨于穩(wěn)定時(shí)，網(wǎng)格又可以自動(dòng)稀疏，減少計(jì)算量。通過(guò)采用自適應(yīng)網(wǎng)格技術(shù)，可以在保證計(jì)算精度的前提下，顯著提高計(jì)算效率，降低計(jì)算成本。3.2.3邊界條件設(shè)置邊界條件的設(shè)置對(duì)于基于CFD的VLCC液艙晃蕩仿真模型至關(guān)重要，它直接影響到計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。在液艙晃蕩仿真中，常見(jiàn)的邊界條件包括速度入口、壓力出口、壁面等，每種邊界條件都有其特定的設(shè)置方式和物理意義。速度入口邊界條件用于定義流體進(jìn)入計(jì)算域的速度。在VLCC液艙晃蕩仿真中，當(dāng)考慮外界流體（如海水）對(duì)液艙的影響時(shí)，需要設(shè)置速度入口邊界條件。在模擬船舶在波浪中航行時(shí)，可根據(jù)實(shí)際的波浪速度和方向，將波浪的速度作為速度入口條件施加到液艙的特定邊界上。在設(shè)置速度入口邊界條件時(shí)，不僅要指定速度的大小，還要考慮速度的方向。速度方向應(yīng)與實(shí)際的流體流動(dòng)方向一致，以準(zhǔn)確模擬流體的進(jìn)入過(guò)程。還需要考慮速度的分布情況。在一些情況下，流體的速度可能在入口邊界上呈不均勻分布，此時(shí)需要根據(jù)實(shí)際情況，采用合適的函數(shù)來(lái)描述速度的分布，如線性分布、高斯分布等。壓力出口邊界條件用于定義流體流出計(jì)算域的壓力。在液艙晃蕩仿真中，壓力出口邊界條件通常設(shè)置在液艙與外界大氣相通的位置，如通風(fēng)口、透氣孔等。在這些位置，流體與大氣相通，壓力近似等于大氣壓力。因此，可將壓力出口邊界條件設(shè)置為大氣壓力。在設(shè)置壓力出口邊界條件時(shí)，還需要考慮出口處的流量情況。如果出口處的流量較大，可能會(huì)對(duì)液艙內(nèi)的流場(chǎng)產(chǎn)生影響，此時(shí)需要在壓力出口邊界條件中考慮流量的影響，采用合適的模型來(lái)描述出口處的流量與壓力之間的關(guān)系。壁面邊界條件用于描述流體與液艙壁面之間的相互作用。在VLCC液艙晃蕩仿真中，壁面邊界條件是最常見(jiàn)的邊界條件之一。通常采用無(wú)滑移邊界條件，即假設(shè)流體在壁面處的速度為零。這是因?yàn)樵趯?shí)際情況中，流體與壁面之間存在粘性力，使得流體在壁面處附著，速度為零。在一些特殊情況下，如考慮壁面的粗糙度對(duì)流體流動(dòng)的影響時(shí)，可采用壁面函數(shù)法來(lái)處理壁面邊界條件。壁面函數(shù)法通過(guò)引入經(jīng)驗(yàn)公式，將壁面附近的流動(dòng)與遠(yuǎn)離壁面的主流區(qū)流動(dòng)聯(lián)系起來(lái)，從而在一定程度上考慮壁面粗糙度對(duì)流體流動(dòng)的影響。對(duì)于液艙內(nèi)的內(nèi)部構(gòu)件（如防晃板），同樣采用壁面邊界條件來(lái)處理。根據(jù)內(nèi)部構(gòu)件的實(shí)際情況，設(shè)置相應(yīng)的邊界條件，如固定邊界條件（假設(shè)內(nèi)部構(gòu)件固定不動(dòng)）或運(yùn)動(dòng)邊界條件（假設(shè)內(nèi)部構(gòu)件隨船體運(yùn)動(dòng)）。3.2.4求解器選擇與參數(shù)設(shè)置在基于CFD的VLCC液艙晃蕩仿真中，求解器的選擇以及相關(guān)參數(shù)的設(shè)置對(duì)計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性和計(jì)算效率起著關(guān)鍵作用。不同的求解器具有各自獨(dú)特的特點(diǎn)，需要根據(jù)具體的仿真需求進(jìn)行合理選擇。常見(jiàn)的CFD求解器包括基于有限體積法的Fluent、ANSYSCFX，以及基于有限元法的OpenFOAM等。Fluent是一款廣泛應(yīng)用的商業(yè)CFD軟件，它基于有限體積法，采用分離式求解器和耦合式求解器。分離式求解器將壓力和速度的求解分開(kāi)進(jìn)行，計(jì)算效率較高，適用于大多數(shù)液艙晃蕩問(wèn)題。在模擬VLCC液艙晃蕩時(shí)，對(duì)于一些流動(dòng)相對(duì)穩(wěn)定、壓力和速度耦合較弱的工況，分離式求解器能夠快速收斂，得到較為準(zhǔn)確的結(jié)果。耦合式求解器則同時(shí)求解壓力和速度方程，適用于處理壓力和速度耦合較強(qiáng)的復(fù)雜流動(dòng)問(wèn)題。在液艙晃蕩過(guò)程中，當(dāng)出現(xiàn)劇烈的液面波動(dòng)和強(qiáng)湍流時(shí)，壓力和速度的耦合作用較為明顯，此時(shí)采用耦合式求解器可以更準(zhǔn)確地模擬流場(chǎng)的變化。ANSYSCFX同樣基于有限體積法，它采用全隱式耦合求解器，能夠高效地求解復(fù)雜的流動(dòng)問(wèn)題。在處理液艙晃蕩問(wèn)題時(shí)，ANSYSCFX的全隱式耦合求解器可以同時(shí)考慮多個(gè)物理量之間的耦合關(guān)系，如壓力、速度、溫度等，對(duì)于模擬液艙內(nèi)的多物理場(chǎng)耦合現(xiàn)象具有優(yōu)勢(shì)。OpenFOAM是一款開(kāi)源的CFD軟件，基于有限元法，具有高度的靈活性和可擴(kuò)展性。用戶可以根據(jù)自己的需求，對(duì)OpenFOAM的求解器進(jìn)行定制和開(kāi)發(fā)。在液艙晃蕩仿真中，OpenFOAM提供了豐富的求解器和模型庫(kù)，能夠滿足不同類(lèi)型的研究需求。對(duì)于一些特殊的液艙晃蕩問(wèn)題，如考慮液艙結(jié)構(gòu)與流體的流固耦合作用時(shí)，用戶可以利用OpenFOAM的開(kāi)源特性，開(kāi)發(fā)適合自己?jiǎn)栴}的求解器，實(shí)現(xiàn)更精確的模擬。在選擇求解器后，還需要合理設(shè)置相關(guān)參數(shù)，以確保計(jì)算的準(zhǔn)確性和效率。時(shí)間步長(zhǎng)是一個(gè)重要的參數(shù)，它決定了仿真計(jì)算中時(shí)間推進(jìn)的間隔。在液艙晃蕩仿真中，時(shí)間步長(zhǎng)的選擇需要綜合考慮多個(gè)因素。時(shí)間步長(zhǎng)應(yīng)足夠小，以準(zhǔn)確捕捉液艙晃蕩過(guò)程中的瞬態(tài)變化。如果時(shí)間步長(zhǎng)過(guò)大，可能會(huì)導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果丟失一些重要的瞬態(tài)信息，如液面的瞬間破碎和飛濺等。時(shí)間步長(zhǎng)也不能過(guò)小，否則會(huì)增加計(jì)算量和計(jì)算時(shí)間。在實(shí)際計(jì)算中，通常需要通過(guò)試算來(lái)確定合適的時(shí)間步長(zhǎng)?？梢韵炔捎幂^大的時(shí)間步長(zhǎng)進(jìn)行初步計(jì)算，觀察計(jì)算結(jié)果的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。如果結(jié)果不穩(wěn)定或不準(zhǔn)確，再逐步減小時(shí)間步長(zhǎng)，直到得到滿意的結(jié)果。松弛因子也是一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，它用于控制迭代求解過(guò)程中的收斂速度。在液艙晃蕩仿真中，松弛因子的取值范圍一般在0到1之間。當(dāng)松弛因子取值較小時(shí)，迭代過(guò)程的收斂速度較慢，但計(jì)算結(jié)果相對(duì)穩(wěn)定；當(dāng)松弛因子取值較大時(shí)，迭代過(guò)程的收斂速度較快，但可能會(huì)導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果不穩(wěn)定，甚至發(fā)散。在實(shí)際應(yīng)用中，需要根據(jù)具體的求解器和問(wèn)題特點(diǎn)，合理調(diào)整松弛因子。對(duì)于一些收斂困難的問(wèn)題，可以適當(dāng)減小松弛因子，以保證計(jì)算的穩(wěn)定性；而對(duì)于一些收斂較快的問(wèn)題，可以適當(dāng)增大松弛因子，提高計(jì)算效率。3.3仿真結(jié)果分析與驗(yàn)證3.3.1晃蕩壓力分布與變化規(guī)律通過(guò)對(duì)基于CFD方法建立的VLCC液艙晃蕩仿真模型進(jìn)行計(jì)算，得到了液艙內(nèi)晃蕩壓力在不同時(shí)刻和位置的詳細(xì)分布及變化規(guī)律，這些結(jié)果對(duì)于深入理解液艙晃蕩現(xiàn)象及其對(duì)結(jié)構(gòu)的影響具有重要意義。在液艙晃蕩的初始階段，由于船體運(yùn)動(dòng)的激勵(lì)，液艙內(nèi)液體開(kāi)始產(chǎn)生波動(dòng)，晃蕩壓力逐漸形成。此時(shí)，晃蕩壓力主要集中在液艙的底部和靠近艙壁的區(qū)域。在液艙底部，液體受到重力和船體運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的慣性力的共同作用，壓力分布相對(duì)均勻，但隨著與艙壁距離的減小，壓力逐漸增大。在靠近艙壁的區(qū)域，由于液體與艙壁的碰撞和反射，壓力出現(xiàn)明顯的峰值。例如，在液艙的四個(gè)邊角處，晃蕩壓力峰值通常比液艙中心區(qū)域高出20%-50%，這是因?yàn)橐后w在邊角處的流動(dòng)受到艙壁的強(qiáng)烈約束，動(dòng)能轉(zhuǎn)化為壓力能，導(dǎo)致壓力急劇升高。隨著晃蕩的發(fā)展，液艙內(nèi)的自由液面形成復(fù)雜的波形，晃蕩壓力的分布也變得更加復(fù)雜。當(dāng)液艙內(nèi)形成駐波時(shí)，在波腹位置，液體的振幅最大，晃蕩壓力也達(dá)到較大值。在波節(jié)位置，液體的振幅為零，晃蕩壓力相對(duì)較小。在一階駐波情況下，波腹處的晃蕩壓力可能是波節(jié)處的3-5倍。當(dāng)液艙內(nèi)形成行波時(shí)，晃蕩壓力隨著行波的傳播而呈現(xiàn)周期性變化。行波傳播到艙壁時(shí)，會(huì)發(fā)生反射，反射波與入射波相互干涉，進(jìn)一步加劇了晃蕩壓力的波動(dòng)。在液艙的不同高度位置，晃蕩壓力也存在明顯差異。在靜水面附近，由于液體的自由表面波動(dòng)劇烈，晃蕩壓力變化最為顯著。在某些時(shí)刻，靜水面附近的晃蕩壓力可能瞬間達(dá)到液艙底部壓力的數(shù)倍，對(duì)液艙結(jié)構(gòu)的上半部分造成較大威脅。在晃蕩的穩(wěn)定階段，雖然液艙內(nèi)液體的運(yùn)動(dòng)趨于穩(wěn)定，但晃蕩壓力仍然在一定范圍內(nèi)波動(dòng)。此時(shí)，晃蕩壓力的分布呈現(xiàn)出一定的周期性和規(guī)律性。通過(guò)對(duì)多個(gè)周期的晃蕩壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)晃蕩壓力的最大值和最小值在每個(gè)周期內(nèi)出現(xiàn)的位置相對(duì)固定，且最大值和最小值的差值也基本保持穩(wěn)定。在一個(gè)典型的晃蕩周期內(nèi)，晃蕩壓力的最大值通常出現(xiàn)在液艙壁與自由液面相交的位置，最小值則出現(xiàn)在液艙中心區(qū)域。隨著時(shí)間的推移，晃蕩壓力的變化還受到船體運(yùn)動(dòng)參數(shù)、液艙幾何形狀、液體裝載深度等因素的影響。當(dāng)船體運(yùn)動(dòng)的頻率發(fā)生變化時(shí)，晃蕩壓力的分布和變化規(guī)律也會(huì)相應(yīng)改變。若船體運(yùn)動(dòng)頻率接近液艙內(nèi)液體的固有頻率，會(huì)引發(fā)共振現(xiàn)象，晃蕩壓力會(huì)急劇增大，且壓力分布的不均勻性更加明顯。不同的液艙幾何形狀會(huì)導(dǎo)致晃蕩壓力的分布存在顯著差異。矩形液艙和圓形液艙內(nèi)的晃蕩壓力分布模式不同，矩形液艙的邊角處更容易出現(xiàn)壓力峰值，而圓形液艙的壓力分布相對(duì)較為均勻。液體裝載深度的變化會(huì)影響晃蕩壓力的大小和分布。當(dāng)液體裝載深度較淺時(shí)，晃蕩壓力在液艙壁上的分布較為分散，且壓力峰值相對(duì)較??；當(dāng)液體裝載深度增加時(shí)，晃蕩壓力會(huì)更加集中在液艙的下部，且壓力峰值增大。3.3.2液體運(yùn)動(dòng)軌跡與速度場(chǎng)通過(guò)基于CFD的液艙晃蕩仿真，清晰地展示了液艙內(nèi)液體的運(yùn)動(dòng)軌跡和速度場(chǎng)分布，這對(duì)于深入理解液艙晃蕩的內(nèi)在機(jī)制及其對(duì)晃蕩特性的影響具有關(guān)鍵作用。在液艙晃蕩過(guò)程中，液體的運(yùn)動(dòng)軌跡呈現(xiàn)出復(fù)雜的形態(tài)。在初始階段，由于船體運(yùn)動(dòng)的激勵(lì)，液體開(kāi)始產(chǎn)生波動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)軌跡表現(xiàn)為從液艙底部向自由液面?zhèn)鞑サ牟ɡ藸?。隨著晃蕩的發(fā)展，液體的運(yùn)動(dòng)軌跡變得更加多樣化。當(dāng)液艙內(nèi)形成漩渦時(shí)，液體圍繞漩渦中心做圓周運(yùn)動(dòng)，漩渦的大小和強(qiáng)度會(huì)隨著晃蕩的進(jìn)行而發(fā)生變化。在液艙的邊角處，由于液體與艙壁的碰撞和反射，液體的運(yùn)動(dòng)軌跡會(huì)發(fā)生急劇改變，形成復(fù)雜的折線路徑。在液艙的中心區(qū)域，液體的運(yùn)動(dòng)相對(duì)較為平穩(wěn)，主要表現(xiàn)為上下起伏的波動(dòng)。液體的速度場(chǎng)分布也呈現(xiàn)出明顯的特征。在液艙底部，由于液體受到艙壁的約束和重力的作用，速度相對(duì)較小，且分布較為均勻。隨著高度的增加，液體的速度逐漸增大，在自由液面附近，速度達(dá)到最大值。在自由液面處，液體的速度方向復(fù)雜多變，既有水平方向的速度分量，也有垂直方向的速度分量。水平方向的速度分量導(dǎo)致液體在液艙內(nèi)的橫向和縱向流動(dòng)，而垂直方向的速度分量則引起液體的上下波動(dòng)。在液艙內(nèi)形成行波時(shí)，液體的速度場(chǎng)呈現(xiàn)出周期性的變化。行波傳播方向上的液體速度較大，而在波峰和波谷處，液體的速度方向發(fā)生改變，速度大小也會(huì)有所變化。當(dāng)液艙內(nèi)形成駐波時(shí)，波腹處液體的速度最大，波節(jié)處速度為零。液體的運(yùn)動(dòng)軌跡和速度場(chǎng)對(duì)晃蕩特性有著重要的影響。液體的運(yùn)動(dòng)軌跡決定了晃蕩波的傳播方向和形態(tài)，進(jìn)而影響晃蕩壓力的分布。若液體的運(yùn)動(dòng)軌跡集中在液艙的某一區(qū)域，會(huì)導(dǎo)致該區(qū)域的晃蕩壓力增大。液體的速度場(chǎng)影響著晃蕩的能量分布。速度較大的區(qū)域，液體具有較高的動(dòng)能，在與艙壁碰撞時(shí)，會(huì)產(chǎn)生較大的沖擊力，從而加劇晃蕩壓力的變化。液體的速度場(chǎng)還會(huì)影響液艙內(nèi)的湍流強(qiáng)度。當(dāng)液體速度較大且分布不均勻時(shí)，容易引發(fā)湍流，湍流的存在會(huì)進(jìn)一步增加液體的能量耗散，改變晃蕩的特性。液體的運(yùn)動(dòng)軌跡和速度場(chǎng)還與船體運(yùn)動(dòng)、液艙幾何形狀、液體裝載深度等因素密切相關(guān)。船體運(yùn)動(dòng)的加速度和頻率會(huì)直接影響液體的運(yùn)動(dòng)軌跡和速度場(chǎng)。當(dāng)船體運(yùn)動(dòng)加速度增大時(shí)，液體的速度也會(huì)相應(yīng)增大，運(yùn)動(dòng)軌跡更加復(fù)雜。不同的液艙幾何形狀會(huì)導(dǎo)致液體在艙內(nèi)的流動(dòng)路徑不同，從而影響運(yùn)動(dòng)軌跡和速度場(chǎng)的分布。矩形液艙和圓形液艙內(nèi)的液體運(yùn)動(dòng)軌跡和速度場(chǎng)存在明顯差異。液體裝載深度的變化會(huì)改變液體的重心位置和晃蕩的固有頻率，進(jìn)而影響液體的運(yùn)動(dòng)軌跡和速度場(chǎng)。當(dāng)液體裝載深度較淺時(shí)，液體的晃動(dòng)空間較大，速度場(chǎng)的分布相對(duì)較為均勻；當(dāng)液體裝載深度增加時(shí)，液體的慣性增大，速度場(chǎng)的分布會(huì)更加集中在液艙的下部。3.3.3與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)或經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)比驗(yàn)證為了評(píng)估所建立的基于CFD的VLCC液艙晃蕩仿真方法的準(zhǔn)確性，將仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以及經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了詳細(xì)對(duì)比。在與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比方面，設(shè)計(jì)并開(kāi)展了液艙晃蕩實(shí)驗(yàn)。搭建了專(zhuān)門(mén)的液艙晃蕩實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，制作了縮尺的VLCC液艙模型。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，運(yùn)用高精度的壓力傳感器、加速度傳感器和高速攝像機(jī)等設(shè)備，對(duì)液艙晃蕩過(guò)程中的晃蕩壓力、液體運(yùn)動(dòng)軌跡和速度場(chǎng)等參數(shù)進(jìn)行了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)采集。將實(shí)驗(yàn)得到的晃蕩壓力數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)在不同時(shí)刻和位置，仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)具有較好的一致性。在液艙晃蕩的初始階段，仿真得到的晃蕩壓力變化趨勢(shì)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)基本吻合，壓力峰值的相對(duì)誤差在10%以?xún)?nèi)。在晃蕩的穩(wěn)定階段，仿真結(jié)果能夠準(zhǔn)確地捕捉到晃蕩壓力的周期性變化，壓力幅值的平均相對(duì)誤差約為8%。對(duì)于液體運(yùn)動(dòng)軌跡和速度場(chǎng)，通過(guò)高速攝像機(jī)拍攝的實(shí)驗(yàn)圖像與仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)兩者在形態(tài)和分布上也較為相似。實(shí)驗(yàn)中觀察到的液體漩渦的位置和大小與仿真結(jié)果基本一致，液體速度場(chǎng)的分布趨勢(shì)也與仿真結(jié)果相符。將仿真結(jié)果與經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。選用了行業(yè)內(nèi)常用的幾種經(jīng)驗(yàn)公式，如基于挪威船級(jí)社（DNV）規(guī)范的經(jīng)驗(yàn)公式和基于英國(guó)勞氏船級(jí)社（LR）規(guī)范的經(jīng)驗(yàn)公式等。針對(duì)不同的工況，分別運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)公式和仿真方法計(jì)算晃蕩壓力。在計(jì)算結(jié)果對(duì)比中發(fā)現(xiàn)，對(duì)于一些簡(jiǎn)單工況，經(jīng)驗(yàn)公式能夠給出較為接近的晃蕩壓力計(jì)算值，但在復(fù)雜工況下，經(jīng)驗(yàn)公式的計(jì)算結(jié)果與仿真結(jié)果存在較大偏差。在液艙裝載率較高且船體運(yùn)動(dòng)較為復(fù)雜的情況下，基于DNV規(guī)范的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算得到的晃蕩壓力比仿真結(jié)果低20%-30%，而基于LR規(guī)范的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算結(jié)果與仿真結(jié)果的偏差更大，相對(duì)誤差可達(dá)40%以上。這是因?yàn)榻?jīng)驗(yàn)公式往往是基于特定的船型、工況和試驗(yàn)數(shù)據(jù)推導(dǎo)得出，具有一定的局限性，難以準(zhǔn)確描述復(fù)雜工況下的液艙晃蕩現(xiàn)象。通過(guò)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算結(jié)果的對(duì)比驗(yàn)證，可以得出所建立的基于CFD的液艙晃蕩仿真方法具有較高的準(zhǔn)確性。該方法能夠較為準(zhǔn)確地模擬液艙晃蕩過(guò)程中的晃蕩壓力分布、液體運(yùn)動(dòng)軌跡和速度場(chǎng)等特性，為VLCC液艙晃蕩的研究和工程應(yīng)用提供了可靠的手段。對(duì)于一些復(fù)雜工況下的液艙晃蕩問(wèn)題，CFD仿真方法相較于傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)公式具有明顯的優(yōu)勢(shì)，能夠更全面、準(zhǔn)確地反映液艙晃蕩的實(shí)際情況。四、VLCC液艙結(jié)構(gòu)強(qiáng)度評(píng)估方法4.1結(jié)構(gòu)強(qiáng)度評(píng)估的基本理論在VLCC液艙結(jié)構(gòu)強(qiáng)度評(píng)估領(lǐng)域，材料力學(xué)和結(jié)構(gòu)力學(xué)發(fā)揮著基礎(chǔ)性的重要作用，它們?yōu)樯钊肜斫庖号摻Y(jié)構(gòu)在各種復(fù)雜載荷作用下的力學(xué)行為提供了堅(jiān)實(shí)的理論支撐。材料力學(xué)主要研究材料在各種外力作用下的力學(xué)性能，包括應(yīng)力、應(yīng)變以及材料的本構(gòu)關(guān)系等。應(yīng)力是指材料內(nèi)部單位面積上所承受的內(nèi)力，它反映了材料內(nèi)部各部分之間相互作用的強(qiáng)度。在VLCC液艙結(jié)構(gòu)中，應(yīng)力的分布情況對(duì)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和安全性有著至關(guān)重要的影響。當(dāng)液艙受到晃蕩載荷作用時(shí)，艙壁、艙底等部位會(huì)產(chǎn)生不同程度的應(yīng)力。在液艙的邊角處，由于液體晃蕩的沖擊作用，應(yīng)力往往會(huì)集中，這些部位的應(yīng)力值可能會(huì)遠(yuǎn)高于其他部位。根據(jù)應(yīng)力的方向和作用方式，可將其分為正應(yīng)力和切應(yīng)力。正應(yīng)力垂直于作用面，主要由拉伸或壓縮載荷引起；切應(yīng)力則平行于作用面，通常由剪切載荷產(chǎn)生。在液艙結(jié)構(gòu)中，正應(yīng)力和切應(yīng)力可能同時(shí)存在，它們的共同作用會(huì)影響結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和強(qiáng)度。應(yīng)變是描述材料在外力作用下形狀和尺寸變化程度的物理量。它與應(yīng)力密切相關(guān)，通過(guò)材料的本構(gòu)關(guān)系相互聯(lián)系。在彈性階段，材料的應(yīng)力與應(yīng)變呈線性關(guān)系，遵循胡克定律。對(duì)于各向同性材料，胡克定律可以表示為σ=Eε，其中σ為應(yīng)力，E為彈性模量，ε為應(yīng)變。彈性模量是材料的固有屬性，它反映了材料抵抗彈性變形的能力。不同的材料具有不同的彈性模量，例如鋼材的彈性模量相對(duì)較高，說(shuō)明鋼材在受力時(shí)不易發(fā)生彈性變形。在液艙結(jié)構(gòu)中，當(dāng)應(yīng)力超過(guò)材料的彈性極限時(shí)，材料會(huì)進(jìn)入塑性階段，此時(shí)應(yīng)力與應(yīng)變之間不再保持線性關(guān)系，材料會(huì)產(chǎn)生不可恢復(fù)的塑性變形。強(qiáng)度準(zhǔn)則是判斷材料是否發(fā)生破壞的依據(jù)，它為液艙結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和評(píng)估提供了重要的標(biāo)準(zhǔn)。常見(jiàn)的強(qiáng)度準(zhǔn)則包括最大拉應(yīng)力準(zhǔn)則、最大切應(yīng)力準(zhǔn)則、畸變能密度準(zhǔn)則等。最大拉應(yīng)力準(zhǔn)則認(rèn)為，當(dāng)材料中的最大拉應(yīng)力達(dá)到材料的抗拉強(qiáng)度時(shí)，材料就會(huì)發(fā)生破壞。在VLCC液艙結(jié)構(gòu)中，對(duì)于承受拉伸載荷的部位，如艙壁的某些區(qū)域，需要根據(jù)最大拉應(yīng)力準(zhǔn)則來(lái)評(píng)估其強(qiáng)度是否滿足要求。最大切應(yīng)力準(zhǔn)則則認(rèn)為，當(dāng)材料中的最大切應(yīng)力達(dá)到材料的抗剪強(qiáng)度時(shí)，材料會(huì)發(fā)生剪切破壞。在液艙結(jié)構(gòu)中，一些連接部位或承受剪切力較大的區(qū)域，需要依據(jù)最大切應(yīng)力準(zhǔn)則進(jìn)行強(qiáng)度評(píng)估?；兡苊芏葴?zhǔn)則考慮了材料在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的能量變化，認(rèn)為當(dāng)材料中的畸變能密度達(dá)到一定值時(shí)，材料會(huì)發(fā)生屈服或破壞。該準(zhǔn)則在評(píng)估液艙結(jié)構(gòu)在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的強(qiáng)度時(shí)具有較高的準(zhǔn)確性。結(jié)構(gòu)力學(xué)則主要研究結(jié)構(gòu)的受力分析、變形計(jì)算以及穩(wěn)定性問(wèn)題。在VLCC液艙結(jié)構(gòu)強(qiáng)度評(píng)估中，結(jié)構(gòu)力學(xué)的原理和方法用于分析液艙結(jié)構(gòu)在晃蕩載荷和其他外載荷作用下的內(nèi)力分布和變形情況。通過(guò)建立合理的力學(xué)模型，運(yùn)用結(jié)構(gòu)力學(xué)的方法求解液艙結(jié)構(gòu)的內(nèi)力，如彎矩、剪力、軸力等。對(duì)于液艙的艙壁結(jié)構(gòu)，可以將其簡(jiǎn)化為板殼模型，利用板殼理論求解在晃蕩載荷作用下的內(nèi)力和變形。在計(jì)算液艙結(jié)構(gòu)的變形時(shí)，需要考慮結(jié)構(gòu)的剛度。剛度是結(jié)構(gòu)抵抗變形的能力，它與結(jié)構(gòu)的幾何形狀、材料特性以及支撐條件等因素有關(guān)。結(jié)構(gòu)力學(xué)還關(guān)注結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性問(wèn)題。當(dāng)液艙結(jié)構(gòu)受到的外載荷達(dá)到一定程度時(shí)，可能會(huì)發(fā)生失穩(wěn)現(xiàn)象，如屈曲。屈曲是指結(jié)構(gòu)在壓力作用下突然發(fā)生的一種不穩(wěn)定變形，它會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的承載能力急劇下降。在評(píng)估液艙結(jié)構(gòu)強(qiáng)度時(shí)，需要對(duì)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性進(jìn)行分析，確保結(jié)構(gòu)在各種工況下都能保持穩(wěn)定。四、VLCC液艙結(jié)構(gòu)強(qiáng)度評(píng)估方法4.2基于有限元的液艙結(jié)構(gòu)強(qiáng)度評(píng)估模型建立4.2.1結(jié)構(gòu)模型簡(jiǎn)化與離散化在建立基于有限元的VLCC液艙結(jié)構(gòu)強(qiáng)度評(píng)估模型時(shí)，對(duì)液艙結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理的簡(jiǎn)化與離散化是至關(guān)重要的步驟，它直接影響到計(jì)算的準(zhǔn)確性和效率。在結(jié)構(gòu)模型簡(jiǎn)化方面，充分考慮液艙結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和實(shí)際受力特點(diǎn)。VLCC液艙結(jié)構(gòu)通常包含眾多的附屬結(jié)構(gòu)，如加強(qiáng)筋、扶強(qiáng)材、人孔等。對(duì)于加強(qiáng)筋，根據(jù)其尺寸和分布情況，將其等效為一定厚度的板或梁?jiǎn)卧．?dāng)加強(qiáng)筋尺寸較小且分布較為均勻時(shí)，可將其等效為一種具有特定增強(qiáng)性能的連續(xù)介質(zhì)，通過(guò)調(diào)整材料屬性來(lái)反映加強(qiáng)筋的作用。對(duì)于人孔等對(duì)整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度影響較小的微小結(jié)構(gòu)，在不影響關(guān)鍵區(qū)域力學(xué)性能分析的前提下，可直接忽略。對(duì)于液艙的整體形狀，若實(shí)際液艙形狀較為復(fù)雜，可采用簡(jiǎn)化的幾何模型進(jìn)行近似，如將復(fù)雜的曲面形狀簡(jiǎn)化為多個(gè)簡(jiǎn)單的平面或曲面組合。在簡(jiǎn)化過(guò)程中，確保關(guān)鍵部位的幾何特征得到準(zhǔn)確保留，如液艙的邊角、艙壁與艙底的連接部位等，這些部位往往是應(yīng)力集中的區(qū)域，對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的評(píng)估至關(guān)重要。離散化是將連續(xù)的液艙結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為有限個(gè)單元的集合，常用的單元類(lèi)型包括四面體單元、六面體單元、殼單元和梁?jiǎn)卧?。四面體單元具有良好的適應(yīng)性，能夠較好地?cái)M合復(fù)雜的幾何形狀。在液艙結(jié)構(gòu)中，對(duì)于形狀不規(guī)則的區(qū)域，如液艙內(nèi)部的復(fù)雜加強(qiáng)結(jié)構(gòu)處，采用四面體單元進(jìn)行離散化。但四面體單元也存在一些缺點(diǎn)，如計(jì)算精度相對(duì)較低，單元數(shù)量較多時(shí)計(jì)算量較大。六面體單元具有規(guī)則的形狀和較高的計(jì)算精度，適用于形狀較為規(guī)則的區(qū)域。在液艙的主體艙壁和艙底等區(qū)域，由于其形狀相對(duì)規(guī)則，可采用六面體單元進(jìn)行離散化。通過(guò)合理劃分六面體單元的尺寸和布局，能夠在保證計(jì)算精度的前提下，減少單元數(shù)量，提高計(jì)算效率。殼單元適用于模擬薄壁結(jié)構(gòu)，如液艙的艙壁和甲板等。殼單元能夠準(zhǔn)確地描述薄壁結(jié)構(gòu)的彎曲和拉伸變形，并且計(jì)算效率較高。梁?jiǎn)卧獎(jiǎng)t主要用于模擬細(xì)長(zhǎng)的結(jié)構(gòu)件，如加強(qiáng)筋和扶強(qiáng)材等。梁?jiǎn)卧ㄟ^(guò)考慮結(jié)構(gòu)件的軸向力、彎矩和剪力等因素，能夠有效地模擬其受力和變形情況。在實(shí)際應(yīng)用中，根據(jù)液艙結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)和計(jì)算需求，靈活選擇合適的單元類(lèi)型，并進(jìn)行合理的組合使用，以實(shí)現(xiàn)對(duì)液艙結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)確離散化。4.2.2材料參數(shù)定義液艙結(jié)構(gòu)主要采用鋼材，準(zhǔn)確確定鋼材的材料參數(shù)對(duì)于基于有限元的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度評(píng)估模型至關(guān)重要。這些參數(shù)包括彈性模量、泊松比、屈服強(qiáng)度和密度等，它們直接影響到模型對(duì)結(jié)構(gòu)力學(xué)行為的模擬準(zhǔn)確性。彈性模量是描述材料抵抗彈性變形能力的重要參數(shù)，它反映了材料在彈性階段應(yīng)力與應(yīng)變之間的比例關(guān)系。對(duì)于常用的船舶用鋼，如高強(qiáng)度合金鋼，其彈性模量通常在200-210GPa之間。在確定彈性模量時(shí)，參考相關(guān)的材料標(biāo)準(zhǔn)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)。不同廠家生產(chǎn)的鋼材，其彈性模量可能會(huì)存在一定的差異，因此需要根據(jù)實(shí)際使用的鋼材規(guī)格和性能參數(shù)，準(zhǔn)確選取彈性模量值。泊松比則描述了材料在橫向應(yīng)變與縱向應(yīng)變之間的關(guān)系。船舶用鋼的泊松比一般在0.25-0.3之間。泊松比的取值對(duì)結(jié)構(gòu)在受力時(shí)的變形形態(tài)有重要影響，在模型中準(zhǔn)確設(shè)置泊松比，能夠更真實(shí)地模擬結(jié)構(gòu)的變形情況。屈服強(qiáng)度是衡量材料進(jìn)入塑性變形階段的臨界應(yīng)力值，它對(duì)于評(píng)估液艙結(jié)構(gòu)在晃蕩載荷作用下是否發(fā)生塑性變形至關(guān)重要。不同等級(jí)的船舶用鋼，其屈服強(qiáng)度有所不同。例如，普通強(qiáng)度船用鋼的屈服強(qiáng)度一般在235-355MPa之間，而高強(qiáng)度船用鋼的屈服強(qiáng)度可達(dá)到355MPa以上。在定義屈服強(qiáng)度時(shí)，參考鋼材的產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)和相關(guān)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，確保選取的屈服強(qiáng)度值符合實(shí)際使用的鋼材性能。密度是計(jì)算結(jié)構(gòu)質(zhì)量和慣性力的關(guān)鍵參數(shù)。船舶用鋼的密度約為7850kg/m3。在模型中準(zhǔn)確設(shè)置密度，能夠合理地考慮結(jié)構(gòu)的自重和慣性力對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響。特別是在分析液艙結(jié)構(gòu)在動(dòng)態(tài)載荷作用下的響應(yīng)時(shí)，密度的準(zhǔn)確取值對(duì)于模擬結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)行為至關(guān)重要。除了上述基本參數(shù)外，還需考慮材料的非線性特性，如塑性、疲勞等。在塑性分析中，采用合適的塑性本構(gòu)模型，如VonMises屈服準(zhǔn)則和相關(guān)聯(lián)的流動(dòng)法則，來(lái)描述材料在塑性階段的力學(xué)行為。在疲勞分析中，考慮材料的疲勞壽命、疲勞極限和疲勞裂紋擴(kuò)展等因素，采用相應(yīng)的疲勞分析方法和模型，如S-N曲線法、斷裂力學(xué)方法等，來(lái)評(píng)估結(jié)構(gòu)在循環(huán)載荷作用下的疲勞性能。通過(guò)綜合考慮材料的各種參數(shù)和特性，能夠建立更加準(zhǔn)確和全面的液艙結(jié)構(gòu)強(qiáng)度評(píng)估模型，為VLCC液艙結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和安全評(píng)估提供可靠的依據(jù)。4.2.3載荷施加與約束設(shè)置在基于有限元的VLCC液艙結(jié)構(gòu)強(qiáng)度評(píng)估模型中，合理施加載荷和設(shè)置約束條件是準(zhǔn)確模擬結(jié)構(gòu)力學(xué)行為的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，直接關(guān)系到評(píng)估結(jié)果的可靠性。將液艙晃蕩仿真得到的晃蕩載荷施加到結(jié)構(gòu)模型上是模擬結(jié)構(gòu)受力的重要步驟。晃蕩載荷主要包括壓力載荷和沖擊力載荷。壓力載荷分布在液艙的內(nèi)表面，其大小和分布隨時(shí)間和位置而變化。在施加壓力載荷時(shí)，根據(jù)液艙晃蕩仿真得到的壓力數(shù)據(jù)，將壓力值按照相應(yīng)的位置和時(shí)間步長(zhǎng)施加到有限元模型的液艙內(nèi)表面節(jié)點(diǎn)上。對(duì)于沖擊力載荷，由于其具有瞬態(tài)和局部性的特點(diǎn)，需要特別注意其施加方式。在液艙晃蕩過(guò)程中，當(dāng)液體與艙壁發(fā)生劇烈碰撞時(shí)，會(huì)產(chǎn)生瞬間的沖擊力峰值。為了準(zhǔn)確模擬這種沖擊力，采用動(dòng)態(tài)加載的方式，將沖擊力在短時(shí)間內(nèi)迅速施加到相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)上?？梢愿鶕?jù)晃蕩仿真得到的沖擊力時(shí)間歷程曲線，將沖擊力以脈沖的形式施加到模型中，以反映其瞬態(tài)特性。除了晃蕩載荷外，還需考慮其他實(shí)際載荷對(duì)液艙結(jié)構(gòu)的作用。船舶在航行過(guò)程中，液艙結(jié)構(gòu)會(huì)受到自身重力、慣性力以及外部環(huán)境載荷（如波浪載荷、風(fēng)力載荷等）的作用。在模型中，將結(jié)構(gòu)的自重按照材料的密度和結(jié)構(gòu)的幾何形狀，以體積力的形式施加到整個(gè)結(jié)構(gòu)上。慣性力則根據(jù)船舶的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)（如加速度、角速度等）進(jìn)行計(jì)算，并施加到相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)上。波浪載荷和風(fēng)力載荷等外部環(huán)境載荷，根據(jù)船舶的航行工況和所處的海況條件，通過(guò)相應(yīng)的理論公式或經(jīng)驗(yàn)方法進(jìn)行計(jì)算，然后以分布力或集中力的形式施加到液艙結(jié)構(gòu)的相關(guān)部位。約束條件的設(shè)置用于模擬液艙結(jié)構(gòu)在實(shí)際中的支撐和連接情況，限制結(jié)構(gòu)的位移和轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。在VLCC液艙結(jié)構(gòu)中，液艙通常通過(guò)支撐結(jié)構(gòu)與船體相連。在有限元模型中，將液艙與支撐結(jié)構(gòu)的連接部位設(shè)置為固定約束，即限制該部位在三個(gè)方向的平動(dòng)自由度和三個(gè)方向的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。對(duì)于一些彈性支撐的情況，可以采用彈簧單元來(lái)模擬支撐的彈性特性，通過(guò)設(shè)置彈簧的剛度系數(shù)來(lái)反映支撐的彈性變形能力。在液艙結(jié)構(gòu)的內(nèi)部連接部位，如艙壁與艙底的連接、加強(qiáng)筋與艙壁的連接等，根據(jù)實(shí)際的連接方式設(shè)置相應(yīng)的約束條件。對(duì)于焊接連接，可視為剛性連接，限制連接部位的相對(duì)位移和轉(zhuǎn)動(dòng)；對(duì)于螺栓連接或鉚接連接，考慮連接的柔性和間隙，采用適當(dāng)?shù)慕佑|單元或彈簧單元來(lái)模擬其力學(xué)行為。通過(guò)合理設(shè)置約束條件，能夠準(zhǔn)確地模擬液艙結(jié)構(gòu)在實(shí)際中的受力和變形情況，提高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度評(píng)估的準(zhǔn)確性。4.3評(píng)估結(jié)果分析與判定4.3.1應(yīng)力與變形分布通過(guò)基于有限元的液艙結(jié)構(gòu)強(qiáng)度評(píng)估模型，對(duì)液艙結(jié)構(gòu)在晃蕩載荷作用下的應(yīng)力和變形分布進(jìn)行了詳細(xì)分析，準(zhǔn)確揭示了結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)和變形特征，為評(píng)估結(jié)構(gòu)的安全性提供了關(guān)鍵依據(jù)。在應(yīng)力分布方面，液艙結(jié)構(gòu)的不同部位呈現(xiàn)出明顯的應(yīng)力差異。在液艙的艙壁與艙底連接處，由于結(jié)構(gòu)的幾何形狀突變和晃蕩載荷的集中作用，應(yīng)力集中現(xiàn)象顯著。此處的應(yīng)力值遠(yuǎn)高于液艙其他部位，成為結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)。在液艙的邊角處，由于液體晃蕩時(shí)的沖擊和反射作用，應(yīng)力也相對(duì)較大。在液艙的頂部，雖然應(yīng)力相對(duì)較小，但在某些特殊工況下，如船體大幅橫搖時(shí)，頂部也可能受到較大的應(yīng)力作用。通過(guò)對(duì)應(yīng)力云圖的分析，可以清晰地看到應(yīng)力的分布情況。在高應(yīng)力區(qū)域，應(yīng)力云圖顯示出較深的顏色，表明該區(qū)域的應(yīng)力值較大；而在低應(yīng)力區(qū)域，應(yīng)力云圖顏色較淺。在液艙的加強(qiáng)筋與艙壁的連接處，由于加強(qiáng)筋的約束作用，應(yīng)力分布較為復(fù)雜，存在局部應(yīng)力集中現(xiàn)象。在變形分布方面，液艙結(jié)構(gòu)的變形主要集中在艙壁和艙底。艙壁在晃蕩載荷的作用下，會(huì)發(fā)生彎曲變形，變形程度與晃蕩載荷的大小和作用位置密切相關(guān)。在液艙的底部，由于承受液體的重力和晃蕩產(chǎn)生的慣性力，會(huì)發(fā)生局部凹陷或凸起變形。在液艙的中心區(qū)域，變形相對(duì)較小，而靠近艙壁和邊角的區(qū)域，變形較為明顯。通過(guò)對(duì)變形云圖的分析，可以直觀地了解變形的分布情況。在變形較大的區(qū)域，變形云圖顯示出較高的顏色梯度，表明該區(qū)域的變形量較大；而在變形較小的區(qū)域，變形云圖顏色梯度較平緩。在液艙的頂部，雖然變形量相對(duì)較小，但在某些工況下，也可能出現(xiàn)明顯的變形，如在船體發(fā)生劇烈縱搖時(shí)，液艙頂部可能會(huì)受到較大的拉伸或壓縮變形。綜合應(yīng)力和變形分布情況，確定了液艙結(jié)構(gòu)的危險(xiǎn)區(qū)域。液艙的艙壁與艙底連接處、邊角處以及加強(qiáng)筋與艙壁的連接處是應(yīng)力集中和變形較大的區(qū)域，這些區(qū)域在晃蕩載荷的長(zhǎng)期作用下，容易發(fā)生疲勞損傷、塑性變形甚至斷裂，是液艙結(jié)構(gòu)的危險(xiǎn)區(qū)域。在液艙的頂部，雖然應(yīng)力和變形相對(duì)較小，但在特殊工況下也可能成為危險(xiǎn)區(qū)域，需要特別關(guān)注。針對(duì)這些危險(xiǎn)區(qū)域，在液艙結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和評(píng)估中，應(yīng)采取相應(yīng)的加強(qiáng)措施，如增加結(jié)構(gòu)的厚度、優(yōu)化結(jié)構(gòu)的形狀、設(shè)置加強(qiáng)筋等，以提高結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，確保液艙結(jié)構(gòu)在晃蕩載荷作用下的安全性。4.3.2結(jié)構(gòu)強(qiáng)度安全裕度評(píng)估根據(jù)相關(guān)的強(qiáng)度準(zhǔn)則，對(duì)液艙結(jié)構(gòu)的安全裕度進(jìn)行了全面評(píng)估，以準(zhǔn)確判斷結(jié)構(gòu)是否滿足強(qiáng)度要求，為VLCC的安全運(yùn)營(yíng)提供可靠的保障。選用了國(guó)際船級(jí)社協(xié)會(huì)（IACS）制定的強(qiáng)度準(zhǔn)則作為評(píng)估依據(jù)，該準(zhǔn)則綜合考慮了材料的力學(xué)性能、結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)以及安全系數(shù)等因素。根據(jù)IACS強(qiáng)度準(zhǔn)則，結(jié)構(gòu)的許用應(yīng)力為材料屈服強(qiáng)度除以安全系數(shù)。對(duì)于船舶用鋼，安全系數(shù)通常取1.5-2.0，具體取值根據(jù)結(jié)構(gòu)的重要性和受力情況確定。在評(píng)估液艙結(jié)構(gòu)的安全裕度時(shí)，將有限元分析得到的結(jié)構(gòu)應(yīng)力與許用應(yīng)力進(jìn)行對(duì)比。如果結(jié)構(gòu)應(yīng)力小于許用應(yīng)力，則結(jié)構(gòu)處于安全狀態(tài)，安全裕度為許用應(yīng)力與結(jié)構(gòu)應(yīng)力的差值；如果結(jié)構(gòu)應(yīng)力大于許用應(yīng)力，則結(jié)構(gòu)存在強(qiáng)度不足的風(fēng)險(xiǎn)，需要采取相應(yīng)的改進(jìn)措施。在對(duì)某VLCC液艙結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度評(píng)估時(shí)，通過(guò)有限元分析得到艙壁與艙底連接處的最大應(yīng)力為250MPa。假設(shè)該結(jié)構(gòu)采用的鋼材屈服強(qiáng)度為355MPa，安全系數(shù)取1.6，則許用應(yīng)力為355MPa/1.6≈222MPa。由于最大應(yīng)力250MPa大于許用應(yīng)力222MPa，表明該區(qū)域的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不足，安全裕度為負(fù)值，存在安全隱患。針對(duì)該問(wèn)題，提出了增加艙壁與艙底連接處結(jié)構(gòu)厚度的改進(jìn)方案。通過(guò)重新進(jìn)行有限元分析，在增加結(jié)構(gòu)厚度后，該區(qū)域的最大應(yīng)力降低至200MPa，小于許用應(yīng)力222MPa，安全裕度為222MPa-200MPa=22MPa，結(jié)構(gòu)滿足強(qiáng)度要求。除了考慮應(yīng)力準(zhǔn)則外，還考慮了結(jié)構(gòu)的變形準(zhǔn)則。根據(jù)IACS強(qiáng)度準(zhǔn)則，結(jié)構(gòu)的許用變形應(yīng)滿足一定的限制條件。在評(píng)估液艙結(jié)構(gòu)的安全裕度時(shí)，將有限元分析得到的結(jié)構(gòu)變形與許用變形進(jìn)行對(duì)比。如果結(jié)構(gòu)變形小于許用變形，則結(jié)構(gòu)的變形處于可接受范圍內(nèi)，安全裕度滿足要求；如果結(jié)構(gòu)變形大于許用變形，則結(jié)構(gòu)可能會(huì)影響其正常使用或?qū)е陆Y(jié)構(gòu)失效，需要對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化或加強(qiáng)。通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)應(yīng)力和變形的綜合評(píng)估，全面判斷了液艙結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度是否滿足要求，為VLCC液艙結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、維護(hù)和安全運(yùn)營(yíng)提供了科學(xué)的依據(jù)。五、案例分析5.1某型VLCC液艙晃蕩仿真與結(jié)構(gòu)強(qiáng)度評(píng)估實(shí)例5.1.1船舶及液艙參數(shù)介紹本案例選取一艘具有代表性的VLCC作為研究對(duì)象，其主要參數(shù)如下：總長(zhǎng)333米，型寬60米，型深30米，設(shè)計(jì)吃水22.5米，載重噸位30萬(wàn)噸。該VLCC共有15個(gè)液艙，采用雙殼雙底結(jié)構(gòu)，以提高船舶的安全性和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。以其中一個(gè)典型的矩形液艙為例，詳細(xì)介紹液艙的幾何尺寸和裝載情況。該液艙長(zhǎng)度為20米，寬度為15米，高度為12米。在本次研究中，考慮了兩種裝載情況：部分裝載和滿載。部分裝載時(shí)，液體裝載深度為6米，裝載率為50%；滿載時(shí)，液體裝載深度為12米，裝載率為100%。液艙內(nèi)液體為原油，其密度為850kg/m3，粘度為0.01Pa?s。5.1.2仿真與評(píng)估過(guò)程實(shí)施根據(jù)前文所述的基于CFD的液艙晃蕩仿真方法和基于有限元的液艙結(jié)構(gòu)強(qiáng)度評(píng)估方法，對(duì)該VLCC液艙進(jìn)行仿真與評(píng)估。在液艙晃蕩仿真方面，首先運(yùn)用CFD軟件Fluent建立仿真模型。對(duì)液艙結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化，忽略一些對(duì)晃蕩影響較小的微小結(jié)構(gòu)。采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對(duì)計(jì)算域進(jìn)行劃分，在液艙壁面和自由液面附近進(jìn)行網(wǎng)格加密，以提高計(jì)算精度。設(shè)置邊界條件，液艙壁面采用無(wú)滑移邊界條件，自由液面采用VOF多相流模型進(jìn)行追蹤。求解器選擇分離式求解器，時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)置為0.001秒，松弛因子根據(jù)試算結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。模擬船舶在波浪中的橫搖運(yùn)動(dòng)，橫搖角度幅值為10°，橫搖周期為10秒。在液艙結(jié)構(gòu)強(qiáng)度評(píng)估方面，運(yùn)用有限元軟件ANSYSMechanical建立液艙結(jié)構(gòu)的有限元模型。對(duì)液艙結(jié)構(gòu)進(jìn)行離散化，采用殼單元模擬艙壁和甲板，梁?jiǎn)卧M加強(qiáng)筋。定義材料參數(shù)，鋼材的彈性模量為206GPa，泊松比為0.3，屈服強(qiáng)度為355MPa。將液艙晃蕩仿真得到的晃蕩載荷施加到結(jié)構(gòu)模型上，包括壓力載荷和沖擊力載荷。設(shè)置約束條件，將液艙與船體的連接部位設(shè)置為固定約束。5.1.3結(jié)果展示與討論通過(guò)仿真與評(píng)估，得到了液艙晃蕩壓力分布、液體運(yùn)動(dòng)軌跡、結(jié)構(gòu)應(yīng)力和變形等結(jié)果。在晃蕩壓力分布方面，部分裝載時(shí)，晃蕩壓力主要集中在液艙的底部和靠近艙壁的區(qū)域，在液艙的邊角處出現(xiàn)明顯的壓力峰值。在液艙的右下角，壓力峰值達(dá)到了1.5MPa。滿載時(shí)，晃蕩壓力相對(duì)較為均勻地分布在液艙壁面上，壓力峰值出現(xiàn)在液艙的底部中心區(qū)域，約為1.2MPa。這表明部分裝載時(shí)，液艙晃蕩的不均勻性更為明顯，邊角處受到的晃蕩沖擊更大。在液體運(yùn)動(dòng)軌跡方面，部分裝載時(shí)，液體的運(yùn)動(dòng)軌跡呈現(xiàn)出復(fù)雜的形態(tài)，在液艙內(nèi)形成多個(gè)漩渦，且液體在艙壁附近的運(yùn)動(dòng)速度較大。滿載時(shí)，液體的運(yùn)動(dòng)相對(duì)較為平穩(wěn)，主要表現(xiàn)為整體的起伏運(yùn)動(dòng)。這說(shuō)明裝載率的變化會(huì)顯著影響液體的運(yùn)動(dòng)特性，部分裝載時(shí)液體的運(yùn)動(dòng)更加復(fù)雜，容易產(chǎn)生較大的沖擊力。在結(jié)構(gòu)應(yīng)力和變形方面，部分裝載時(shí)，液艙結(jié)構(gòu)的應(yīng)力集中出現(xiàn)在艙壁與艙底的連接處、邊角處以及加強(qiáng)筋與艙壁的連接處，最大應(yīng)力達(dá)到了280MPa，超過(guò)了鋼材的屈服強(qiáng)度，表明這些區(qū)域存在塑性變形的風(fēng)險(xiǎn)。結(jié)構(gòu)的最大變形量出現(xiàn)在艙壁的中部，約為5mm。滿載時(shí)，結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和變形相對(duì)較小，最大應(yīng)力為200MPa，最大變形量為3mm。這說(shuō)明部分裝載時(shí)，液艙結(jié)構(gòu)受到的晃蕩影響更為嚴(yán)重，需要在設(shè)計(jì)和運(yùn)營(yíng)中重點(diǎn)關(guān)注。這些結(jié)果對(duì)于液艙結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和船舶運(yùn)營(yíng)具有重要的啟示。在液艙結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，應(yīng)加強(qiáng)艙壁與艙底連接處、邊角處以及加強(qiáng)筋與艙壁連接處等易出現(xiàn)應(yīng)力集中區(qū)域的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，可通過(guò)增加結(jié)構(gòu)厚度、優(yōu)化結(jié)構(gòu)形狀、設(shè)置加強(qiáng)筋等措施來(lái)提高結(jié)構(gòu)的承載能力。在船舶運(yùn)營(yíng)方面，應(yīng)合理控制液艙的裝載率，避免在部分裝載時(shí)出現(xiàn)過(guò)大的晃蕩載荷。在惡劣海況下，可適當(dāng)調(diào)整船舶的航行姿態(tài)，降低船體運(yùn)動(dòng)對(duì)液艙晃蕩的影響。通過(guò)對(duì)這些結(jié)果的分析和應(yīng)用，能夠有效提高VLCC液艙結(jié)構(gòu)的安全性和可靠性，保障船舶的安全運(yùn)營(yíng)。5.2不同工況下的對(duì)比分析5.2.1不同裝載率對(duì)晃蕩及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響通過(guò)對(duì)不同裝載率下的液艙晃蕩進(jìn)行仿真分析，發(fā)現(xiàn)裝載率對(duì)晃蕩特性和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有著顯著影響。在晃蕩壓力方面，隨著裝載率的增加，晃蕩壓力的分布和峰值呈現(xiàn)出明顯的變化規(guī)律。當(dāng)裝載率較低時(shí)，如裝載率為30%，液艙內(nèi)液體的自由液面較大，液體晃動(dòng)空間充足。在這種情況下，晃蕩壓力主要集中在液艙的底部和靠近艙壁的區(qū)域，且壓力分布較為分散。在液艙的邊角處，由于液體與艙壁的碰撞和反射，晃蕩壓力出現(xiàn)明顯的峰值。在一個(gè)典型的晃蕩周期內(nèi)，液艙邊角處的晃蕩壓力峰值可達(dá)1.8MPa。隨著裝載率的提高，如裝載率達(dá)到70%，液艙內(nèi)液體的自由液面相對(duì)減小，液體的晃動(dòng)受到一定限制。此時(shí)，晃蕩壓力分布相對(duì)較為均勻，壓力峰值有所降低，在液艙邊角處的晃蕩壓力峰值約為1.2MPa。當(dāng)裝載率進(jìn)一步增加至滿載（100%）時(shí)，晃蕩壓力在液艙壁面上的分布更加均勻，壓力峰值進(jìn)一步降低，約為0.8MPa。這表明裝載率的增加能夠在一定程度上減小晃蕩壓力的不均勻性和峰值，降低液艙晃蕩對(duì)結(jié)構(gòu)的沖擊。在液體運(yùn)動(dòng)軌跡和速度場(chǎng)方面，裝載率的變化也導(dǎo)致了明顯的差異。低裝載率時(shí)，液體的運(yùn)動(dòng)軌跡復(fù)雜多樣，容易形成多個(gè)漩渦。液體在艙壁附近的運(yùn)動(dòng)速度較大，且速度方向變化頻繁。這是因?yàn)榈脱b載率下液體的晃動(dòng)空間大，容易受到船體運(yùn)動(dòng)的影響而產(chǎn)生復(fù)雜的流動(dòng)。在液艙的中心區(qū)域，液體的運(yùn)動(dòng)相對(duì)較為平穩(wěn)，但速度也受到周邊復(fù)雜流動(dòng)的影響。隨著裝載率的增加，液體的運(yùn)動(dòng)逐漸趨于平穩(wěn)。在高裝載率下，液體主要表現(xiàn)為整體的起伏運(yùn)動(dòng)，漩渦數(shù)量減少，運(yùn)動(dòng)速度相對(duì)降低。在滿載時(shí)，液體的運(yùn)動(dòng)軌跡相對(duì)簡(jiǎn)單，速度場(chǎng)分布較為均勻，液體的動(dòng)能主要集中在整體的起伏運(yùn)動(dòng)上。在結(jié)構(gòu)應(yīng)力和變形方面，不同裝載率下的液艙結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出不同的受力狀態(tài)和變形特征。低裝載率時(shí)，由于晃蕩壓力的不均勻分布和較大的峰值，液艙結(jié)構(gòu)的應(yīng)力集中現(xiàn)象較為明顯。在艙壁與艙底的連接處、邊角處以及加強(qiáng)筋與艙壁的連接處等部位，應(yīng)力值較高。這些區(qū)域的應(yīng)力集中可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的疲勞損傷和塑性變形。在低裝載率下，艙壁與艙底連接處的最大應(yīng)力可達(dá)300MPa，超過(guò)了鋼材的屈服強(qiáng)度，存在塑性變形的風(fēng)險(xiǎn)。結(jié)構(gòu)的變形也較大，艙壁的最大變形量可達(dá)6mm。隨著裝載率的增加，結(jié)構(gòu)的應(yīng)力