超大型21000TEU集装箱船弹振与鞭击响应的实验与数值模拟研究

针对超大型集装箱船在波浪中弹振(springing)和鞭击(whipping)载荷预测难题，研究人员通过U型骨架分段模型实验与CFD-FEM耦合数值模拟，系统分析了波高、波长及航速对高频水弹性响应的影响。研究发现该船型鞭击载荷贡献有限，但弹振载荷可达波频载荷数倍，为超大型船舶结构设计提供重要依据。

　　

随着全球贸易的迅猛发展，21000TEU级超大型集装箱船已成为海运主力。这类船舶因尺度巨大、结构柔性显著，在波浪中易引发弹振（springing，结构固有频率与遭遇频率共振）和鞭击（whipping，砰击引发的瞬态振动）现象。传统二维切片理论难以捕捉此类高频非线性水弹性响应，而势流理论又无法准确模拟粘性效应和自由面变形。尽管CFD-FEM（计算流体力学-有限元）耦合方法近年有所应用，但针对特定船型的弹振载荷占比规律、波高对高阶共振影响等关键问题仍缺乏系统研究。

华南理工大学联合中国远洋海运集团的研究团队，在《Ocean Engineering》发表论文，通过分段模型实验与数值模拟相结合的方式，对21000TEU集装箱船的水弹性响应展开研究。实验采用创新设计的U型变截面骨架梁，精确模拟实船垂向/水平弯曲刚度；数值上建立STAR-CCM+与Abaqus耦合模型，实现流固双向数据传递。研究涵盖16种工况，系统分析不同波长（λ/L_pp=0.5-2.5）、波高（H_w/L_pp=1/60-1/30）及航速（Fr=0.05-0.15）条件下船舶运动与载荷特性。

主要技术方法
实验采用1:66.65缩尺分段模型，U型骨架梁实现垂向/水平刚度分段相似；布置五组六分力传感器测量剖面载荷。数值模拟采用重叠网格技术处理大幅运动，通过MPI接口实现CFD与FEM实时数据交换。重点对比波频载荷（WF）与高频载荷（HF）成分，通过傅里叶变换识别弹振（nω_e=ω₁, n=2,3,4）特征频率。

研究结果

Slamming and whipping in severe waves
在高波高工况（H_w/L_pp=1/30）下，船艏砰击引发典型鞭击响应，但垂直弯矩（VBM）的高频分量仅占波频分量的15%-20%。这归因于该船型艏部外飘较小且平行中体肥大，削弱了砰击强度。

Analysis of springing responses
在共振工况（n=2,3,4）中，即使低波高（H_w/L_pp=1/60）下弹振仍显著，三阶共振时垂向剪力（VSF）高频分量可达波频分量的3.8倍。研究发现弹振载荷幅值与波高呈非线性增长关系，且高阶共振对波高变化更敏感。

Conclusions
研究揭示该船型鞭击载荷贡献有限，但弹振可能在中低海况下主导总载荷。U型骨架设计有效模拟了实船扭转刚度，CFD-FEM耦合方法在n≤4的高阶共振预测中与实验误差<12%。该成果为超大型集装箱船疲劳评估提供新依据，建议规范需特别关注弹振引发的累积损伤效应。

这项研究通过多尺度验证，首次量化了21000TEU船弹振载荷占比的波高依赖性，推动了对高频水弹性机理的认知。团队提出的U型骨架设计准则与CFD-FEM耦合框架，为后续船舶智能优化设计奠定方法基础。