船体结构强度评估的线性设计波法研究

针对不适用规范公式计算船体波浪载荷的特殊船型,以一艘浮式生产储油船(FPSO)为例,介绍了一种长期预报设计波法,使用该设计波法确定了FPSO的波浪载荷长期预报极值和设计波波浪参数。同时,与规范计算公式及非线性修正后得到的波浪载荷进行比较分析。最后,利用设计波载荷计算结果,对该FPSO的船体结构强度进行评估。分析结果表明,使用长期预报设计波法计算FPSO的波浪载荷具有一定的合理性,其船体结构强度符合规范要求。     

关于船舶规范中计算载荷的分析

本文利用非线性切片理论，以两条不同类型的船舶为例，具体分析了现行规范中关于波浪弯矩、砰击振动弯矩以及弯矩迭加计算时存在的一些问题；指出了在确定计算载荷时应当计及船舶在波浪中的失速，所谓的谐振波不一定就是最危险的规则子波，按动量冲击理论计算以底部砰击为主的船舶是不合适的，不应把波浪弯矩和砰击报动弯矩的最大值简单相加来确定合成弯矩。     

小方型系数船舶的船体波浪载荷综合研究

从船级社规范对于不符合主尺度比要求的船舶船体梁波浪载荷的规定出发,采用理论预报和船模试验2种综合方式,进行了小于0.6方型系数、高航速、高海况目标船的波浪载荷研究。从规范对波浪载荷的线性理论预报值进行的非线性修正,修正后中拱和中垂波浪弯矩绝对值之和与线性理论预报极值全幅值相等出发,阐述所研究船特殊主尺度比下的模型试验结果、三维非线性水弹性理论预报结果显示出的波浪载荷非线性行为;同时综合模型试验与理论预报的共同规律,研究不同波高、航速、浪向等非常规船型船体波浪载荷的强非线性行为,从而认为规范基于的线性理论预报值进行非线性修正的统一规定太过笼统,进而建议规范对波浪载荷的非线性修正予以进一步的明确区分和规定。     

小方型系数船舶的船体波浪载荷综合研究

从船级社规范对于不符合主尺度比要求的船舶船体梁波浪载荷的规定出发,采用理论预报和船模试验2种综合方式,进行了小于0.6方型系数、高航速、高海况目标船的波浪载荷研究.从规范对波浪载荷的线性理论预报值进行的非线性修正,修正后中拱和中垂波浪弯矩绝对值之和与线性理论预报极值全幅值相等出发,阐述所研究船特殊主尺度比下的模型试验结果、三维非线性水弹性理论预报结果显示出的波浪载荷非线性行为;同时综合模型试验与理论预报的共同规律,研究不同波高、航速、浪向等非常规船型船体波浪载荷的强非线性行为,从而认为规范基于的线性理论预报值进行非线性修正的统一规定太过笼统,进而建议规范对波浪载荷的非线性修正予以进一步的明确区分和规定.     

基于拟合波浪载荷船体梁总纵极限强度可靠性分析

船舶波浪弯矩在规则波中的频响函数以半解析的形式给出,同时考虑了实船非直舷及底部砰击因素的非线性影响.提出了波浪弯矩的非线性经验拟合表达式以及波浪中的统计分布特性,它能快速准确地预报波浪载荷极值.最后提出了针对船体梁总纵极限强度进行可靠性分析的方法,并给出实船算例.研究结果表明,给出的方法既适用于概念设计阶段对船舶结构的安全性评估,也满足对实船波浪载荷的快速预报及结构强度可靠性分析的要求.     

UR S11A对船体梁波浪载荷长期极值的影响研究

2016年7月1日起生效的新版UR S11A以提升集装箱船结构安全为目标,替代了之前的版本UR S11。论文对UR S11A和UR S11中关于船体梁波浪载荷长期极值的计算公式和技术背景进行了比较。以已经交付运营或正在建造中的14型不同尺度集装船为分析数据库,对这两个规范在确定波浪载荷长期极值中的应用进行对比研究。然后以一型超大型集装船为算例,用基于线性波浪载荷的谱分析法、基于非线性波浪载荷的等效设计波法和非线性等效设计海况法等三种长期极值预报方法,对船舯区域垂向波浪弯矩进行计算,并分析它们与规范值之间的差异。总结UR S11A对船体梁的波浪载荷长期极值的影响,也为集装箱船波浪载荷设计极值的确定提供参考和建议。     

基于雨流计数法的高低频复合疲劳试验研究

船体固有频率与遭遇波浪频率及其倍频相接近时,波浪载荷极易引起船体结构产生持续的波激振动现象,对大型船舶结构疲劳损伤的影响达到40 %以上。因此,有必要针对波激振动引起的非线性垂向弯矩载荷特点,开展高低频复合工况下典型切口试件疲劳试验及累计损伤分析研究。基于非线性随机载荷的分析方法,采用闭合雨流计数法提取叠加应力历程中的多级循环载荷,并结合平均应力修正方法和疲劳极限以下SN曲线局部修正法,对叠加应力历程中小载荷的损伤效应展开研究。分析结果表明,高低频载荷叠加产生的附加损伤效应对疲劳寿命的影响显著,在恒定应力比下随平均应力的变化近似成二次函数关系。考虑高频小载荷的叠加应力历程疲劳寿命明显降低,可以通过修正累计损伤临界值或引入应力放大因子,近似的利用线性累积损伤理论预测实际叠加应力历程的寿命范围。     

船体结构强度评估的非线性设计波法研究

介绍了一套基于非线性设计波法的船体结构强度评估方案,并以某深水多功能水下工程船为例:基于谱分析方法确定设计波参数;采用DNV船级社推出的Wasim这一基于Rankine源方法的时域线性/非线性船体运动与载荷预报程序,计算并获得船体在非线性设计波下的运动、载荷时历响应;采用Fortran编写接口程序,将Wasim计算得到的水动力网格上的水动压力信息,通过空间映射及插值,传递到Patran有限元网格上;采用MSC.Patran/Nasrtan这一船舶与海洋工程专业常用的有限元软件,计算获得非线性设计波下船体结构应力时历响应,可与线性设计波方法下的计算结果进行了比较。该研究验证了在船舶结构设计中考虑波浪载荷非线性影响的重要性,可为船体结构基于非线性设计波法的强度评估提供参考。     

计算船舶积载强度的非线性方法

本文根据研究波浪载荷的最新理论——非线性切片理论,讨论了船舶货运中用以校核船舶纵向总强度的衡准式的不合理和局限性。从而提出了用计算中拱和中垂波浪弯矩MHgo、Msag的近似公式来代替现有衡准式中波浪弯矩Mw的计算公式。并且通过与试验值的对比,验证了近似公式的可靠性和实用性。这个近似计算公式可为远洋船舶驾驶人员校核货运积载强度时作参考。     

规则波和不规则波中船舶艉砰击及其振动响应的试验研究

在拖曳水池中对某船舶进行了艉砰击及其振动响应的试验研究.在规则波以及不规则波中的零航速、艉随浪情况下观察到了严重的艉砰击现象.试验数据分析表明,合成弯矩可以分成由波浪载荷引起的低频成分以及由砰击载荷引起的高频成分.由于严重艉砰击载荷的作用,发现在某次规则波试验中合成弯矩比波浪弯矩要大出44%,在3.24m不规则波中合成弯矩增加了43%.不规则波中的试验数据统计表明合成弯矩分布范围服从Weibull分布.推导了服从Weibull分布随机变量的短期概率极值预报公式,针对试验数据进行了预报.还讨论了试验数据分析中的不确定性问题.试验研究表明,对于艉部平坦肥大的船舶,在设计和使用中需要引起对艉砰击及其振动响应问题的重视.     

波激振动和砰击颤振对大型油船疲劳强度影响研究

文章给出线性波激振动和砰击颤振引起的大型油船结构疲劳贡献度的计算方法。基于三维线性水弹性理论可计算得到包括刚体和2节点的振动模态下的垂向弯矩的传递函数,采用谱分析法对某30万吨油船进行结构疲劳强度计算,分析波激振动对船体结构疲劳损伤影响;基于二维非线性波浪载荷程序（含砰击颤振的波浪载荷）,采用时域方法对该油船进行船体梁弯矩计算,分析砰击颤振对船体梁弯矩及疲劳载荷的影响;结果表明对于该类大型油船波激振动和砰击颤振对船体的结构疲劳损伤的影响不可忽略。     

船体结构直接计算法中垂向波浪弯矩的确定

根据极值统计学原理，论证了长期特征最大值和长期极值特征值之间的关系，即当弯矩循环次数充分大时，最可能极值即为特征最大值，设计极值即为设计最大值。根据这一结论，提出了一种估算船舶垂向非线性波浪弯矩长期特征最大值的简便方法，使计算大为简化。     

6750箱集装箱船非线性波激振动和颤振响应分析

本文采用三维时域非线性水弹性方法分析了一艘6750箱集装箱船的水弹性响应以及运动和垂向弯矩特征。通过考虑入射波力、静水恢复力、砰击效应的非线性,研究了在恶劣海况下船体的非线性运动和垂向弯矩响应,同时分析了波激振动及颤振对垂向弯矩的影响。数值计算结果表明:(1)非线性入射波力对运动的影响较小,但是对垂向弯矩的影响较大,使得其有明显的倍频成分,同时中垂弯矩显著大于中拱弯矩。另外,非线性入射波力也引起了明显的非线性波激振动;(2)非线性静水恢复力对运动和载荷的影响均较大,但是没有引起明显的非线性响应。非线性计算的垂荡响应小于线性结果,而纵摇和垂向弯矩响应大于线性结果;(3)砰击效应对运动的影响较小,但对垂向弯矩的影响较大,砰击效应引起了显著的船体弹性高频振动,增大了载荷幅值,但是其引起的合成中垂和中拱幅值相差不大;(4)非线性水动力的作用主要引起垂向弯矩的倍频响应,包括倍频可能引起的二节点垂向弯矩弹性共振,而砰击效应主要引起船体二节点垂向弯矩共振;(5)本文的非线性水弹性响应计算结果与Kim给出的数值计算结果吻合很好。     

船舶波浪载荷短期极值的经验公式

对散货船、油船、集装箱船的多艘实船进行了短期波浪载荷直接计算,分析了这三种船型的船舯垂向弯矩、L/4(L为船长)处垂向剪力、3L/4处垂向剪力的若干规律,以及集装箱船型的扭矩、船舯水平弯矩的若干规律.根据这些规律,总结出一套针对特定船型的短期波浪载荷极值的完整计算公式.     

含月池开孔的FPSO水动力性能及波浪载荷研究

为研究月池开孔对FPSO水动力性能和波浪载荷的影响,基于三维势流理论和波浪诱导载荷理论,分析了不同的月池尺寸、不同的月池纵向位置以及不同的船体吃水时附加质量和附加阻尼的变化趋势。并进行了含月池开孔的FPSO波浪诱导载荷的长期预报,得到了截面垂向剪力和弯矩沿船长方向的分布规律,分析了月池尺寸对波浪诱导载荷的影响。结果表明含有月池的FPSO船体的垂向附加质量和附加阻尼会出现一个峰值,随月池尺寸增加而逐渐减小;月池处垂向剪力和垂向弯矩随月池尺寸增大有小幅度减小。     

舰船波浪弯矩响应的频率特性

非直壁式舰船在高浪级和高航速下的弯矩响应中,除了含有低频遭遇频率成分外,还存在着一定数量的遭遇频率的倍频成分及船体各谐调的垂向总振动频率成份,它们都会对舰船波浪弯矩的非线性响应产生相应的影响。如果舰船的第一谐调垂向总振动频率正好是遭遇频率的整数倍,这时弯矩的非线性响应将达到极值。本文从模型试验及理论计算两方面分析了舰船波浪弯矩的频率特性,对船体载荷响应理论的发展及设计载荷的确定具有指导意义。     

航行工况下自升式风车安装船强度直接计算研究

自升自航式风车安装船为海洋工程专业特种船舶,在风机运输,安装中有很高的实际利用价值。采用直接计算法,对航行工况下自升自航式风电安装船的总强度进行评估。建立了船体和桩腿的有限元建模,基于三维势流理论对波浪垂直弯矩进行长期预报,得到风车安装船在典型装载工况下的设计波参数,将船舶在设计波中的重力、静水压力、水动压力、惯性力等施加到模型上进行直接强度分析,对航行工况下船体和桩腿的强度进行了校核。本文的计算方法及结果可为自升自航式风车安装船的整体强度评估、船体结构优化提供有效依据,并且对同类工程船的设计开发具有指导意义。     

Vertical and horizontal bending moments on the hydroelastic response of a large-scale segmented model in a seaway

Wave-induced vertical bending moment (VBM) and horizontal bending moment (HBM) on a large-scale segmented model with a box-type backbone beam in short-crested irregular seas are systematically analyzed using sea trial measurement data. New insights into the relationship between nonlinear VBM and HBM of the ship sailing in short-crested sea waves are explored and presented. The results indicate that the HBM significantly contributes to the total sectional loads when the ship is sailing in a seaway and the HBM has a strong correlation with VBM in both magnitude and tendency. Therefore, design loads of HBM and the corresponding lateral structural strength issues should also be concerned in addition to VBM at the ship design phase.     

非线性混合海况下近海风机塔筒底部载荷的动力响应

本文主要研究在非线性混合海况(即风浪和涌浪组合海况)下,以NREL 5MW_Baseline Monopile近海风机为研究对象,对其塔筒底部(基线)所受到的剪力和弯矩载荷的动力响应进行仿真。在近海风机的时域仿真中,选用了Ochi-Hubble六参数波浪谱,并编制了该谱的程序嵌入到FAST中进行编译。计算过程中,共进行了20次10 min的仿真分析。对于得到的短期载荷,给出了波高程,塔筒底部首尾向剪力和弯矩在线性与非线性不规则波作用下的时程曲线对比图。采用分块最大值法对每一次的短期载荷提取极值,并基于20次仿真所得的极值,给出了塔筒底部首尾向剪力与弯矩在线性与非线性不规则波作用下的超越概率曲线对比图。研究表明,在非线性混合海况下进行近海风机塔筒底部载荷的动力响应研究,计算结果对工程实际应用具有指导意义。