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船舶非线性垂向弯矩预测：基于船体表面压力分布测量的创新研究

作者及机构
本研究由日本大阪大学船舶与海洋工程系的Kurniawan T. Waskito、Masashi Kashiwagi（通讯作者）、广岛大学交通与环境系统的Hidetsugu Iwashita（通讯作者）及Munehiko Hinatsu合作完成，发表于Elsevier旗下期刊《Applied Ocean Research》2020年第101卷（2020年6月26日在线发表）。

学术背景
研究领域为船舶与海洋结构物流体力学，聚焦于波浪载荷（wave loads）的精确预测。船舶在波浪中航行时，垂向弯矩（vertical bending moment, VBM）是评估结构强度的关键指标。传统方法依赖分段船模实验，但仅能测量特定截面的载荷，且难以捕捉非线性效应（如垂向弯矩在波浪中垂荡（heave）和纵摇（pitch）耦合作用下的不对称性）。为此，研究团队提出通过全船体表面压力分布测量结合数值模拟，实现VBM的高精度预测，并揭示非线性流体动力学机制。

研究流程与方法
1. 实验设计
- 研究对象：RIOS散货船模型（比例尺未明确），船体表面布置333个光纤布拉格光栅（Fiber Bragg Grating, FBG）压力传感器（其中70个位于静水线以上），同步测量波浪诱导压力、船舶运动（纵荡、垂荡、纵摇）及船侧波浪轮廓。
- 创新设备：FBG传感器（PS 1000A-V6型）通过温度补偿技术（校准系数Cp、St和Cf）消除环境干扰，直径仅9mm，可实现多点同步测量。实验在九州大学RIAM拖曳水池进行，采用触发信号同步数据采集（采样频率200Hz）。

1. 数值模拟

   • 线性势流理论：采用Rankine面元法（Rankine Panel Method, RPM）求解频域辐射-绕射问题，通过面板偏移技术和人工阻尼处理自由表面边界条件。
     
   • 非线性CFD方法：使用商业软件FINE/Marine v8.2求解RANS方程，结合k-ω SST湍流模型和VOF法捕捉自由液面，计算域包含290万网格单元，时间步长为遭遇周期的1/250。
     

2. 数据分析

   • 压力修正：基于船侧波浪轮廓数据，通过傅里叶级数分析（n=10阶谐波）修正传感器出水时的非物理压力值。
     
   • 弯矩计算：通过压力积分（公式31）结合惯性力项（假设质量分布与排水量分布一致）得到VBM空间分布，验证与直接测量（测力仪）及ITTC-ISSC 2014研讨会基准数据的一致性。
     

主要结果
1. 压力分布验证
- 线性工况（Fn=0.0）：实验与RPM计算的压力分布（无量纲化为p/ρgζa）在船体大部分区域吻合良好（图11），最大差异出现在船艏区域（相位偏差约10%）。
- 非线性工况（Fn=0.18）：CFD模拟成功捕捉到波浪共振（λ/L=1.25）时压力幅值的非线性增长（图12），船艏区域压力峰值超过4.0ρgζa，实验与CFD的VBM纵向分布误差在运动共振波长处最大为25%（表6）。

1. 垂向弯矩特性

   • 非线性不对称性：在Fn=0.18时，中拱（hogging）与中垂（sagging）弯矩幅值差异显著（图18），中垂弯矩普遍高出10%-15%，证实波浪载荷的非线性效应。
     
   • 航速影响：前进速度导致VBM最大值位置向船艏偏移（图17），源于船艏压力幅值增大及运动耦合效应。
     

2. 基准验证

   • 与6750-TEU集装箱船（ITTC-ISSC 2014数据）对比显示，RPM计算的VBM在λ/L=1.07时误差仅3.2%（表8），验证了方法的普适性。
     

结论与价值
1. 科学价值
- 首次通过全船体压力分布实验揭示了波浪载荷的非线性机制，尤其是前进速度对VBM空间分布的动态影响，填补了传统分段模型实验的空白。
- 提出的FBG传感器网络与CFD/RPM协同分析方法，为船舶水弹性（hydroelasticity）研究提供了新范式。

1. 应用价值
   
   • 可直接用于船舶结构设计优化，例如针对共振波长下的非线性弯矩强化局部强度。
     
   • 实验数据可作为CFD方法的验证基准，推动高精度数值工具的开发。
     

研究亮点
1. 技术创新：大规模FBG传感器阵列（333个测点）实现了全船体压力场的高分辨率测量，克服了传统方法的空间局限性。
2. 方法创新：结合温度补偿校准（公式1）和船侧波浪轮廓同步技术，显著提升了压力数据的可靠性。
3. 理论突破：通过实验证实了航速对VBM非线性分布的直接影响，为船舶耐波性理论补充了关键证据。

其他发现
实验发现水温与气温差异超过1°C时，FBG传感器重复性下降，提示环境控制的重要性。团队正与制造商合作开发V7.0传感器以改进温漂问题。

该报告完整呈现了研究的创新性、方法论严谨性及工程应用潜力，为船舶流体力学领域提供了重要的实验与理论参考。