SHIPFLOW软件MOTIONS模块简介

天洑软件

船舶的耐波性能是表征其在海上航行能否维持其正常功能的能力，也是历来船舶设计者和使用者十分关心的问题。关注的焦点在于保障船舶、货物、全体人员最根本的安全，以及运营的效率即油耗的情况。反映在耐波性试验中需要关心的数据主要有如下几部分：
1）船体的运动及加速度；
2）波浪中的阻力或者波浪增阻；
3）船体表面上整体或者局部的载荷。

随着仿真技术的发展，如何通过数值手段对耐波性结果进行预报是当下的船舶设计工程师十分关注的问题。

MOTIONS模块是SHIPFLOW软件自6.0版本添加的船舶运动分析专用模块，可用于计算船舶在规则波和不规则波中的运动和附加阻力，也包括在静水中的阻力、升沉和纵摇。

高效的求解方法

耐波性数据求解可以通过多种不同程度的近似方法获取，不同求解方法在复杂性、计算时间及计算精度上都有所差异。按照求解的复杂度递增的顺序可以将这些求解方法依次排序：传统切片法—>局部非线性切片法—>线性边界元（3D）法—>非稳态RANS方法—>大涡模拟（LES）—>直接数值模拟（DNS）。从非稳态RANS方法开始采用的是粘流计算，由于时间成本高，往往并不能适用于在工程实践；而前面的几种势流求解方法虽然计算速度快，但精度较低。

MOTIONS模块中采用势流、时域、完全非线性的边界元方法，旨在填补传统势流方法与非稳态、粘流方法之间的空白。与传统的势流方法相比，该方法具有更高的精度，同时也比现有的RANS方法具有更快的计算速度。

计算单个工况点，采用MOTIONS模块大概需要6~8小时（16核工作站），而采用RANS方法 (STAR-CCM+, Fine/MARINE, OpenFoam)在相同条件下则需要200~400小时。

完善的功能

MOTIONS的计算域由一个自由液面及截断它的浮体组成，并具有如下特征：
1）假定计算域是一个更大的计算域的一部分；
2）外部计算域是静水状态或是未受干扰的波浪流场状态。



外部计算域的流场用如下方法描述：
1）艾里波 (线性)
2）五阶斯托克斯波
3）不规则波 (依据线性波叠加)

在MOTIONS模块中通过设定波长和波高来定义规则波，通过有义波高和跨零周期定义不规则波或者直接定义海况等级。

MOTION同时支持六自由度分析，各自由度方向上设置有刚度和阻尼系数并且任意一个自由度均可以关闭。

可靠的精度

采用标模KVLCC2作为研究对象，对其波浪增阻进行计算，工况如下：

条件	数值
航速[kn]	15.5
Fn	0.142
浪向	180°
波长 [Lambda/Lpp]	0.6，0.7，…，2.0
波高[H/Lpp]	0.01875

将迎浪状态下的波浪增阻计算结果与公开的试验值进行比较，数据对比图如下（橙色代表试验值）：



MOTIONS的开发进展

即将发布的MOTIONS 7.0在网格划分方式及计算精度上都将得到进一步提升。

1）在网格的划分上，MOTIONS 7将实现近场网格的局部加密功能，改变以往近、远场需按照统一尺寸划分网格的方式；同时网格还具有自适应性，计算过程中根据船身附近的兴波情况，自动对初始网格的分布做调整，如下图所示。


初始网格


自适应网格

2）MOTIONS 7的计算精度将进一步提高，以标模KCS船在波浪中的耐波性分析为例，做精度的对标。下图中红色数据点代表MOTIONS 7的计算结果，黑色代表试验值，可以看到无论是升沉、纵摇的幅值还是波浪增阻两者之间均吻合良好。