0 引　言

为了提升人类对海洋资源开发利用的技术、满足货物远洋航行运输的要求以及兵力的远洋投射能力，新时期对船舶的航行性能提出了更高的要求。船舶在海面上航行过程中，经常会遇到波浪，和静水中不同的是，船舶在波浪中受到的阻力、总纵强度以及横摇力矩都会出现很大程度上的变化，当船舶在不同的波浪形式以及波浪周期的海面上以不同的速度航行时，船舶的性能也会存在很大的差别。经过对大量的海难进行分析，可以发现船舶在海面上航行过程中受到的海浪冲击，是对船舶最大的破坏力，因此对船舶在海面上航行过程中受到的压力进行监测分析有着十分重要的意义。随着计算机计算水平的不断提升，计算流体力学在船舶仿真分析领域得到了广泛应用，并且使用计算流体力学对船舶的受力情况进行计算分析，其精度也不断地提升。本文基于计算流体力学，研究船舶在航行过程中的受力情况，并提出船舶压力监测方法，对船舶压力监测技术的发展有积极的指导作用。

1 船舶航行过程分析 1.1 船舶流场计算基本理论

在船舶航行过程的研究中，会涉及很多流体的流动问题，动量、质量以及能量守恒是流体在流动的过程中需要遵循三大守恒定律。流体的粘性应力通常取决于流体本身的粘性以及流动速度。以流体在流动过程中能否表现出粘性为基础，可以将流体分为理想流体以及粘性流体2种。牛顿内摩擦定律可以表示为：

$ \tau = \mu \mathop {\lim }\limits_{\Delta n \to 0} \frac{{\partial u}}{{\partial n}} = \mu \frac{{\partial u}}{{\partial n}} \text{。} $

(1.1)

式中：μ为动力粘度；∆n为距离增量；∆u为速度增量；因此，∆u/∆n为速度变化率。通过式（1）可以计算流体中的内摩擦剪切力，并且利用内摩擦剪切力以及速度的变化率的差异，可以区分该流体是牛顿流体还是非牛顿流体，即当流体的动力粘度μ为常量的时候，则该流体属于牛顿流体，反之，则该流体为非牛顿流体。流体的压缩性是指其密度以及体积会受到周围环境的影响而变化，流体周围空气的压强以及温度是常见的2种外界环境因素，因此流体的等温压缩率和体积膨胀率是常见的2种衡量流体压缩性的指标。

公式（2）中给出了流体流动的物理量x的时间导数计算方法。以式（2）中的y是否等于0为标准，可以将流体的流动分成定常和非定常流动2种。当y=0的时候，流体的流动称为定常流动；当y≠0的时候，流体的流动称为非定常流动。

$ y = \frac{{\partial x}}{{\partial t}}\text{。} $

(1.2)

如果流体在流动的过程中，层与层之间不存在动量以及质量的交互，则这种流动过程为层流，反之为湍流。通常情况下可以使用雷诺数对流体的流动过程进行判断，雷诺数R_e的计算公式为：

$ {Re} = \frac{{vl}}{\upsilon }\text{。} $

(1.3)

式中：v为流体流速；υ为粘度。通过上临界雷诺数、下临界雷诺数以及当前解算得到的实时雷诺数3个数值，可以对当前的流体状态进行判断。当解算得到的实时雷诺数小于流体的下临界雷诺数时，则流体的流动态为层流；当实时雷诺数Re大于上临界数的时候，则流体的流动态为湍流；当实时雷诺数Re介于上临界数和下临界数之间的时候，为过度态，流体的流动态可能是层流也可能是湍流。

1.2 船舶阻力分析

船舶在水面航行的过程中，水面上的空气和水对船舶会产生一个和船舶航行方向相反的作用力，该力称为船舶阻力。船舶在航行过程中受到的船舶阻力通常和船舶自身的大小、船体造型以及船舶航行水域的水流状态有关。由于船舶航行的水域环境相对比较复杂，为了简化研究，本文的船舶阻力包含了基本阻力和附加阻力2种。

船舶在静止水面上航行过程中受到的阻力，称作基本阻力，并且船舶受到的基本阻力通常由摩擦、兴波以及粘性压差3种阻力构成，船舶基本阻力R₀为：

$ {R_0} = {R_w} + {R_f} + {R_{pv}}\text{。} $

(1.4)

式中：R_w，R_f，R_pv分别为船舶在海面上航行过程中受到的兴波阻力、摩擦阻力以及粘性压差阻力。这3种阻力在船舶基本阻力中所占的比例通常由船舶的速度决定。由于船舶在航行过程中受到的黏压和兴波2种阻力不容易分开，因此可以将黏压和兴波2种阻力统一称作剩余阻力，则船舶的基本阻力可以用式（5）表示。当船舶在水面上航行的速度较低的时候，船舶的摩擦阻力占船舶总阻力的70%到80%；当船舶的航行速度较高的时候，船舶的摩擦阻力占船舶总阻力的40%~50%。

$ {R_0} = {R_r} + {R_f}\text{。} $

(1.5)

除了基本阻力之外，船舶在航行过程中，船舶上的舾装设备也会受到水的阻力，同时海面上的风浪以及船体水下部分的污底等因素均会扩大船舶航行的阻力，并且船体水面上方的上层建筑等部分还会遭受空气的阻力，这些阻力共同构成了船舶的附加阻力，如下式：

$ \Delta R = \Delta {R_F} + \Delta {R_A} + {A_X} + \Delta {R_R}\text{。} $

(1.6)

船舶的摩擦阻力系数和船体表面粗糙系数的计算方法分别如式（7）和式（8）所示，则船舶摩擦阻力系数之和可以表示成C_f +ΔC_f，则船舶受到的总的摩擦阻力，如式（9）所示。不同傅汝德数下的船舶摩擦阻力关系曲线如图1所示。

$ {C_f} = \frac{{0.075}}{{{{(\lg {Re} - 2)}^2}}}\text{，} $

(1.7)

$ \Delta {C_f} = \left[ {105{{\left( {{k_s}/L} \right)}^{\frac{1}{3}}} - 0.64} \right] \times {10^{ - 3}}\text{，} $

(1.8)

$ {R_f} = \left( {{C_f} + \Delta {C_f}} \right)\frac{1}{2}\rho {U^2}S\text{。} $

(1.9)

2 船舶航行过程中受力仿真分析 2.1 波浪流速对船舶航行过程的影响

船舶在海面上航行过程中，常常会遭遇波浪流速提升、海浪增高、海风骤起等突发的恶劣海况，这会对船舶在航行过程中的稳定性产生一定的影响。本文研究波浪流速的增加对船舶速度的影响，在确保流向角恒定的情况下，分析水流速度以及船舶所受的压力随着波浪流速的变化。波浪速度在100 s的时间内从5 m/s增加到10 m/s，水流速度以及船舶受到的阻力的变化情况分别如图2和图3所示。

从图2可以看出，船首、船中以及船尾3处的水流速度整体上是呈逐渐增加的趋势，并且水流速度的变化速率的大小顺序为，船首>船中>船尾，船首的水流速度为直线式的增长，船中和船尾两处的水流速度变化相对比较缓慢，并且随着时间的推移，这两处的变化率也慢慢变大。从图中可以看出，船中的水流速度最快、船尾的水流速度次之、船首的水流速度最慢。这是因为当水流遭遇船首的时候，速度将明显下降，一旦水流流过船首，到达船中的位置，则船体对水流的阻力降低，此时水流的速度会逐渐变大，当水流到达船尾的时候，船舶尾部结构对水流速度产生了部分影响，使得水流速度降低。

图3为船舶受到的阻力随时间的变化情况，可以看出，船舶受到的阻力会随着时间不断增加。综上分析可以发现，船舶受到的水流阻力越大，水流速度的变化率就会越小。

2.2 波浪抨击下船体受力分析

在船体和波浪相互碰撞的过程中，船体处于塑性流动状态，因此在仿真分析过程中要构建出合适的塑性本构关系。在构建船体材料塑性本构关系的过程中，需要充分地考虑材料的屈服准则、硬化规律等因素。为了精确地对船体和波浪的碰撞过程进行描述，则需要充分地考虑船体材料的损伤形变以及应变率等因素，在考虑船体材料各向同性的基础上，采用Cowper-Symonds模型作为船舶和波浪在碰撞过程中的塑性本构模型，公式如下：

$ \frac{\sigma _0'}{\sigma _0} = 1 + \left[ {\frac{\varepsilon }{C}} \right]^{\frac{1}{p}}\text{。} $

(2.1)

在波浪和船体碰撞数值仿真过程中发现，随着波浪和船体碰撞的进行，波浪和船体之间的接触面积会逐渐增大，这会使得船舶受到的压强会从高压状态朝着低压状态转变，最终船舶受到的来自波浪的压强会趋于稳定状态，如图4所示。船舶受到的来自波浪的压力和受力面积之间的关系如公下式：

$ P = 7.4{A^{ - 0.74}}\text{。} $

(2.2)

式中：P为船舶受到压强；A为波浪和船体的接触面积。

图5给出了船舶在波浪碰撞数值仿真过程中受到的压力变化情况。可以看出，船体和波浪的碰撞过程大约持续了0.8 s，由于船体和波浪在碰撞过程中存在冲撞挤压现象，因此在这种状态下船体受到的碰撞力是非线性的。波浪和船体在碰撞过程中由于存在力的卸载情况，因此船体受到的碰撞力呈现出了多个峰值。船体结构一旦遭到破坏则会通过碰撞力的卸载表现出来。在船体和波浪的碰撞初始阶段，由于波浪速度快、接触面积小，这使得船体受到的碰撞力快速上升，随着波浪的散开，船体受到的碰撞力会突然间被卸载，但是依旧会波动式地增长。随着船体承受的碰撞载荷持续地增大，船体外形则会表现出明显的形变，最终导致破损，在0.17 s处形成碰撞力的卸载现象，最后随着船体和波浪的逐渐脱离，船体受到的碰撞力则快速地降低，直至降低到0。

3 船舶压力监测系统

船舶压力监测系统对船舶受到的压力监测是通过光纤应变和加速度传感器完成的，同时船舶压力监测系统将采集到的压力信息转变成光信号，并送入调制解调仪内部进行解调，调制解调仪将光信号转变为电信号。最后再将电信号转变成船舶的压力信息，存储到相应的数据库中。船舶压力监测系统中可以利用姿态仪对船体姿态进行实时监测、利用测波雷达对海面上的波浪进行实时监测、利用装载仪对船舶的装载情况进行监测，监测系统可以通过智能平台对船舶姿态、海面上的波浪以及船舶的装载信息进行获取，船舶压力监测系统结构如图6所示。

4 结　语

本文通过在船体上安装各类压力传感器，构建出一个能够对船体结构安全进行监测的系统，给船体结构安全提供预警信息以及决策方法，以避免船舶在出现结构问题的时候依旧处于航行状态，这对增加船舶的抗风险能力有着很大的帮助。本文对船舶航行过程中的压力监测方法进行研究，这有助于推动船舶压力监测技术的发展。