（様式 20）成果報告書

TSUBAME 共同利用 令和２年度 学術利用 成果報告書

利用課題名 損傷船体の縦曲げ最終強度と波浪中安全性評価に関する研究
英文：Study on the ultimate bending strength and the safety assessment of damaged ships
橋本 博公
Hirotada Hashimoto
大阪府立大学 大学院工学研究科
Osaka Prefecture University
http://kyoindb.osakafu-u.ac.jp/html/110441_ja.html
船舶が衝突・座礁した場合，折損・沈没などの大規模損傷に至るかどうか，至る場合はどの程度の時間が残されているかを，海象条件を考慮して評価する必要がある．本研究は，漂流あるいは被曳航状態の損傷船体について，浸水流動が全船応答および縦曲げ強度に及ぼす影響を調査することを目的とする．TSUBAME3.0
上でのハイブリッド並列計算により，1.5 億超の粒子を用いた大規模な陽的 MPS 法を用いて，内部浸水を含む非線形流体挙動をシミュレートし，付加質量力や減衰力等の巨視的流体力に及ぼす影響を明確化することを試みた．特に，内部の浸水影響の詳細について議論するため，痩型船のラディエーション流体力に及ぼす損傷破孔の有無の重要性について調査を行った．
In this study, the influence of floodwater on a ship response and longitudinal bending strength of adamaged hull was investigated. By using hybrid parallel computation on TSUBAME3.0, nonlinear
fluid behavior including internal floodwater was simulated by a large-scale explicit MPS methodwith 150 million particles. Then influences on an added mass force and a damping force of adamaged hull were presented. In particular, in order to discuss the details of internal floodwater
effects, we investigated the importance of the existence of a damage hole on the radiation forces of aslender ship.

Keywords: Damaged ship, Floodwater, Radiation force, Explicit MPS, GPGPU

背景と目的ついて明らかにした．

船舶が衝突・座礁した場合，人命・財産・環境への影
響を最小化するためには，漂流あるいは被曳航状態の概要

損傷船が，折損や沈没に至るかどうか，あるいは至る浸水流動が全船応答や区画内部への荷重に及ぼす場合にはそれまでの時間を，海象条件を考慮して，即影響を縦強度の観点から調べた研究はこれまでなく，時に精度良く判断する必要がある．そのため，まず上その第一歩となる検討を行う．数値計算には，研究代述の状態にある損傷船体を対象として，詳細な数値解表者らが開発してきた複数 GPU を用いての並列計算析（波浪中弾性応答，縦曲げ崩壊挙動，浸水部流体挙が可能な陽的 MPS コードを用いる．粒子法の計算コス動），並びに水槽試験を行い，波浪中における損傷船

トは，GPU 単体でも大幅に低減させることが可能だが，体の縦曲げ崩壊挙動を浸水・傾斜影響を含めて明らか

MPI 通信を用いた複数デバイスによるマルチ GPU 並にすることを目的とする．

列プロセス計算を行うことで，2 億超の粒子数を用いた

本研究では，損傷船体の縦曲げ最終強度評価法を計算を可能としている．MPI によるプロセス並列は，複確立するにあたり，損傷破孔を介して出入りする浸水数の CPU プロセッサで複数のタスクを同時に実行する滞留水が波浪中の船体応答及び縦曲げ荷重に及ぼすことを可能としており，OpenMPI を並列処理に使用す影響を明らかにすべく，スーパーコンピュータることで計算領域を分割し，それぞれの分割領域におTSUBAME3.0 を使用し，十分な大きさの数値水槽をける演算を CPU プロセッサに割り当てて処理すること用いた大規模粒子法によって，損傷破孔の有無が船で，計算負荷の分散を図っている．また，プログラムに体に作用するラディエーション流体力に及ぼす影響におけるメインストリーム，領域分割の各種処理，分割領（様式 20）成果報告書
域同士の情報通信（コミュニケータ）はホスト側で逐次結果および考察処理を行い，分割領域内での粒子法による流体解析でSway 方向強制動揺シミュレーションで得られた非損は，最も計算コストの高い時間発展部分の全てをデバ

傷船と損傷船の流体力を Fig.2-3 に示す.前者は動揺イス側の演算によって処理する．

周期が 1.39s の結果，後者は動揺周期が 0.57s の結果

数値水槽とシミュレーション条件は Fig.1 と Table 1である．x 軸方向では，ラディーション流体力の変動振に示した通りであり，水槽壁面からの反射波の影響を幅が損傷時の方が大きい．これは，損傷破孔から流入避けるため，損傷区画に対して十分に大きな水槽サイした滞留水が内部区画側壁に衝突する際の衝撃的なズを確保し，計算領域の両側には傾斜角 15 度の消波圧力が加わったためと推察される．動揺周期を短くする用ビーチを設けた．本研究では，TSUBAME3.0 の 4 ノと区画全体に作用する流体力振幅が大きくなった．浮ード，16 プロセス，16GPU を用いて 30 秒間のシミュレ

体には正弦的な強制動揺により生じる加速度，速度にーションを行った．

比例する力が作用するため，動揺周期を短くする方が大きな流体力が船体に作用する．y 軸方向については，動揺周期が長い場合は制限的な変動となっているが，動揺周期が短い場合は損傷の有無に関わらず非線形な変動を示している．また，損傷時には一定の滞留水が船内区画に存在することによる定常値の変化がみられる．z 軸まわりのモーメントでは，損傷時に非対称浸Fig.1 Numerical wave tank

水による定常傾斜モーメントが発生している．しかしながら，動揺周期が 0.57s のときには定常モーメントの発Table 1 Simulation condition
粒子間距離 [m]総粒子数
マッハ数 [-]

0.005
15,968,650(非損傷船モデル)
16,122,122(損傷船モデル)

生に加えて振動振幅も大きくなることが確認できる．
Fig.4-5 は各周期でのシミュレーションのスナップショットである．周期が長い場合でも区画内部のスロッシング0.2や損傷破孔を通じての流入が生じていることが確認できる．

クーラン数 [-]

0.2

時間刻み幅 [s]1.61×10⁻⁴

動粘性係数 [m²/s]

1.00×10⁻⁵

まとめ，今後の課題
数値水槽に設置した船体区画を強制的に規則的なTSUBAME3.0 を用いた大規模な陽的 MPS により，痩型上下運動（Heave）または左右運動（Sway）を与える，船の非損傷/損傷状態でのラディエーション流体力のいわゆるラディエーション問題を解くことで，強制運動に推定を試みた．本計算における空間解像度は，喫水に対する反力としてラディーション流体力を求めた．非損対して約 20 個，全幅に対して約 96 個の粒子を確保し傷状態と右舷中央部に損傷破孔と損傷区画を有するており，圧力振動は避けられないものの，Sway 方向と損傷状態の 2 状態について，シミュレーションを実施しHeave 方向のラディーション流体力への損傷破孔およた．強制動揺の条件は，線形の深水波の理論をもとに，び区画内部滞留水の影響を明らかにした．今後は水槽左右方向に造波される波の波長が垂線間長 3.0m とそ実験を実施し，その結果と比較することで，縦曲げ強度の半分の 1.5m となる周期 1.39s と 0.57s に設定した．の解析に求められる精度が得られているかを検証する

30 秒間のシミュレーションでは，最初の 5 秒間は静定必要がある．また，現在の粒子法コードには壁境界条状態を作り出すために動揺は与えず，5 秒時点から 10件にミラー粒子を用いているが，薄板を挟んで内外の秒間の線形ランプを設定したうえで強制動揺を与えて流れをシミュレートする際にはミラー粒子の生成位置にいる．

工夫が必要であり，今後解決すべき課題となっている．

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Fig.2 Time series of simulated radiation forces

Fig.3 Time series of simulated radiation forces

under forced sway [1.39s]

under forced sway [0.57s]

Fig.4 Interaction of water and a damaged hull

Fig.5 Interaction of water and a damaged hullunder a forced sway motion at period of 1.39s

under a forced sway motion at period of 0.57s