船舶的耐波性能是表征其在海上航行能否維持其正常功能的能力，也是歷來船舶設計者和使用者十分關心的問題。關注的焦點在于保障船舶、貨物、全體人員最根本的安全，以及運營的效率即油耗的情況。反映在耐波性試驗中需要關心的數(shù)據(jù)主要有如下幾部分：

1）船體的運動及加速度；

2）波浪中的阻力或者波浪增阻；

3）船體表面上整體或者局部的載荷。

隨著仿真技術(shù)的發(fā)展，如何通過數(shù)值手段對耐波性結(jié)果進行預報是當下的船舶設計工程師十分關注的問題。

MOTIONS模塊是SHIPFLOW軟件自6.0版本添加的船舶運動分析專用模塊，可用于計算船舶在規(guī)則波和不規(guī)則波中的運動和附加阻力，也包括在靜水中的阻力、升沉和縱搖。

高效的求解方法

耐波性數(shù)據(jù)求解可以通過多種不同程度的近似方法獲取，不同求解方法在復雜性、計算時間及計算精度上都有所差異。按照求解的復雜度遞增的順序可以將這些求解方法依次排序：傳統(tǒng)切片法—>局部非線性切片法—>線性邊界元（3D）法—>非穩(wěn)態(tài)RANS方法—>大渦模擬（LES）—>直接數(shù)值模擬（DNS）。從非穩(wěn)態(tài)RANS方法開始采用的是粘流計算，由于時間成本高，往往并不能適用于在工程實踐；而前面的幾種勢流求解方法雖然計算速度快，但精度較低。

MOTIONS模塊中采用勢流、時域、完全非線性的邊界元方法，旨在填補傳統(tǒng)勢流方法與非穩(wěn)態(tài)、粘流方法之間的空白。與傳統(tǒng)的勢流方法相比，該方法具有更高的精度，同時也比現(xiàn)有的RANS方法具有更快的計算速度。

計算單個工況點，采用MOTIONS模塊大概需要6~8小時（16核工作站），而采用RANS方法 (STAR-CCM+, Fine/MARINE, OpenFoam)在相同條件下則需要200~400小時。

完善的功能

MOTIONS的計算域由一個自由液面及截斷它的浮體組成，并具有如下特征：

1）假定計算域是一個更大的計算域的一部分；

2）外部計算域是靜水狀態(tài)或是未受干擾的波浪流場狀態(tài)。

外部計算域的流場用如下方法描述：

1）艾里波 (線性)

2）五階斯托克斯波

3）不規(guī)則波 (依據(jù)線性波疊加)

在MOTIONS模塊中通過設定波長和波高來定義規(guī)則波，通過有義波高和跨零周期定義不規(guī)則波或者直接定義海況等級。

MOTION同時支持六自由度分析，各自由度方向上設置有剛度和阻尼系數(shù)并且任意一個自由度均可以關閉。

可靠的精度

采用標模KVLCC2作為研究對象，對其波浪增阻進行計算，工況如下：

條件	數(shù)值
航速[kn]	15.5
Fn	0.142
浪向	180°
波長 [Lambda/Lpp]	0.6，0.7，…，2.0
波高[H/Lpp]	0.01875

將迎浪狀態(tài)下的波浪增阻計算結(jié)果與公開的試驗值進行比較，數(shù)據(jù)對比圖如下（橙色代表試驗值）：

MOTIONS的開發(fā)進展

即將發(fā)布的MOTIONS 7.0在網(wǎng)格劃分方式及計算精度上都將得到進一步提升。

1）在網(wǎng)格的劃分上，MOTIONS 7將實現(xiàn)近場網(wǎng)格的局部加密功能，改變以往近、遠場需按照統(tǒng)一尺寸劃分網(wǎng)格的方式；同時網(wǎng)格還具有自適應性，計算過程中根據(jù)船身附近的興波情況，自動對初始網(wǎng)格的分布做調(diào)整，如下圖所示。

初始網(wǎng)格

自適應網(wǎng)格

2）MOTIONS 7的計算精度將進一步提高，以標模KCS船在波浪中的耐波性分析為例，做精度的對標。下圖中紅色數(shù)據(jù)點代表MOTIONS 7的計算結(jié)果，黑色代表試驗值，可以看到無論是升沉、縱搖的幅值還是波浪增阻兩者之間均吻合良好。

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文章來源天洑CAE技術(shù)源