船舶三维短峰不规则波浪中水弹性响应的CFD-FEM双向耦合数值模拟研究

为解决真实海况下船舶运动与波浪载荷预测难题，研究人员采用CFD-FEM双向耦合方法，建立了分段船体有限元模型与三维短峰不规则波浪数值水池，系统分析了船舶非对称运动、剖面载荷及加速度响应。该研究首次实现了短峰波中船舶水弹性响应的时域模拟，为实船耐波性与结构安全性评估提供了创新性技术路径。

　　

在海洋工程领域，船舶在真实海况中的水弹性响应预测一直是极具挑战性的课题。尽管过去几十年通过实验和数值模拟在规则波中的研究取得显著进展，但三维短峰不规则波（由多方向成分波组成）与实验室二维规则波的巨大差异，使得实船在复杂海况下的运动特性和结构安全性评估仍存在显著空白。尤其当船舶存在航速时，波浪方向性分布会显著影响其非对称运动与弯扭耦合载荷，而现有研究多局限于规则波或长峰不规则波场景。

针对这一瓶颈问题，华南理工大学联合中国船舶科学研究中心的研究团队在《Marine Structures》发表论文，首次采用计算流体力学(CFD)与有限元(FEM)双向耦合方法，实现了三维短峰不规则波中船舶水弹性响应的全时域模拟。研究以具有丰富实验数据的大外飘船型为目标船，通过建立分段有限元模型和基于STAR-CCM+的数值波浪水池，创新性地开发了波浪方向谱的MATLAB控制算法，系统分析了船舶运动、加速度及剖面载荷的动态特性。

关键技术方法包括：1）基于线性叠加原理构建短峰波数学模型，通过STAR-CCM+实现三维波浪场重构；2）采用商业软件STAR-CCM+与Abaqus构建CFD-FEM耦合框架；3）利用高性能计算平台处理大规模流固耦合计算；4）通过交叉谱分析法研究信号相关性。实验验证数据来自1:50比例模型水池试验和1:25比例实海试航测量。

数值模型建立
研究团队开发了包含71个分段的质量-弹簧系统有限元模型，通过特殊约束条件确保横摇惯性矩准确性。数值波浪水池采用线性波理论生成包含20个频率成分×15个方向成分的短峰波场，方向分布函数采用cos²
θ形式，有效模拟了真实海况的能量分布特征。

波浪模拟与方向谱分析
模拟结果显示，虽然有效波高较目标值降低12.3%，但波面升高时间历程与理论方向谱吻合良好。通过二维傅里叶变换提取的波浪方向分布表明，数值方法能准确再现波浪能量在频率-方向域的扩散特性，为后续船舶响应分析奠定基础。

船舶运动与垂向加速度
在短峰波中，船舶垂荡、横摇和纵摇运动呈现显著的非高斯分布特性。有航速工况下，横摇运动标准差增加37.5%，而垂向加速度峰值概率超出Rayleigh分布预测值达15%，揭示出方向波能量分布对船舶运动非线性的强化效应。

波浪诱导剖面载荷
剖面载荷分析显示，垂向弯矩(VBM)和水平弯矩(HBM)在波浪主频处出现明显共振峰，而扭矩(TM)频谱则呈现宽频特征。特别值得注意的是，航速会导致扭矩载荷增加42%，证实了弯扭耦合效应在三维波浪中的重要性。

结论与意义
该研究建立了首个能预测短峰不规则波中船舶水弹性响应的CFD-FEM全耦合框架，填补了该领域时域数值模拟的空白。通过系统比较长短峰波中的响应差异，发现波浪方向扩散会显著改变载荷统计特性，这对实船结构强度评估具有重要指导价值。研究成果已应用于国家自然科学基金支持的"真实海洋环境下船舶波浪载荷预报"项目，为船舶设计提供了更接近实海况的仿真技术手段。未来工作将重点优化波浪模拟精度，并扩展至极端海况下的砰击载荷研究。