基于一个二维水弹塑性方法和极限强度评估的集装箱船结构优化研究（英文）

海上极端波过去常常导致船舶结构的极限破坏,而船舶的极限崩溃涉及到船体结构的动态极限强度和结构非线性。该文通过二维的水弹塑性方法研究了集装箱船在极端波中的非线性动态强度,该方法考虑了船体的极限强度以及船体结构的非线性和波浪之间的耦合。并通过该二维水弹塑性方法和极限评估方法研究了船体结构的结构优化。文中还通过二次规划法(SQP)来优化基于非线性的动态强度的集装箱船体结构。最少的结构成本是本优化的目标函数,约束条件保证船体的强度要小于结构的极限强度,并且结构设计尺寸要满足规范的要求。随着设计波高的变化,这些优化的设计变量的变化趋势得以发现,一些研究的结论可用于船舶规范的参考。     

基于一个二维修正水弹性方法的集装箱船体梁动态前极限强度评估研究

海上极端波因其巨大的波高常常导致船体的极限破坏。该文提出了一个二维的修正水弹性方法来研究一个集装箱船船体梁在极端波中的动态前极限强度。传统的极限强度评估基于准静态方法,没有动态效应被考虑。而船体在波浪下的动态结构响应是基于水弹性方法,传统的水弹性方法并不能计算船体梁的动态非线性强度。该二维修正的水弹性方法考虑时域波浪和非线性船体梁之间的耦合,将水弹性方法和Smith方法结合,用Smith方法计算船体梁的刚度,而其刚度与船体梁的强度和变形曲率有关。所以该时域的非线性刚度被用于修改水弹性方法里的常数项的结构梁刚度。几组极端波模型被用以产生船体梁的大变形和非线性动态垂向弯矩。文中分别采用修正水弹性方法和普通水弹性方法,通过改变四个重要的极端波参数如极端波最大波高、规则波的波高、波速和波长等来研究其对船体梁船中处的大变形转角和非线性垂向弯矩的影响,通过采用修正的水弹性方法计算得来的结果与水弹性方法计算得来的结果相比较,得到了一些差异和结论。     

基于一个二维修正水弹性方法的集装箱船体梁动态前极限强度评估研究（英文）

海上极端波因其巨大的波高常常导致船体的极限破坏。该文提出了一个二维的修正水弹性方法来研究一个集装箱船船体梁在极端波中的动态前极限强度。传统的极限强度评估基于准静态方法,没有动态效应被考虑。而船体在波浪下的动态结构响应是基于水弹性方法,传统的水弹性方法并不能计算船体梁的动态非线性强度。该二维修正的水弹性方法考虑时域波浪和非线性船体梁之间的耦合,将水弹性方法和Smith方法结合,用Smith方法计算船体梁的刚度,而其刚度与船体梁的强度和变形曲率有关。所以该时域的非线性刚度被用于修改水弹性方法里的常数项的结构梁刚度。几组极端波模型被用以产生船体梁的大变形和非线性动态垂向弯矩。文中分别采用修正水弹性方法和普通水弹性方法,通过改变四个重要的极端波参数如极端波最大波高、规则波的波高、波速和波长等来研究其对船体梁船中处的大变形转角和非线性垂向弯矩的影响,通过采用修正的水弹性方法计算得来的结果与水弹性方法计算得来的结果相比较,得到了一些差异和结论。     

斜浪条件下大型集装箱船扭矩特征及结构强度研究

随着大型集装箱船的发展,斜浪条件下的扭矩载荷特性及其结构响应日益重要。以某大型集装箱船为研究对象,建立水动力湿表面计算模型和质量模型,研究基于扭矩传递函数和主要载荷控制参数的斜浪设计波参数确定方法,分析不同超越概率水平下扭矩计算值的规律。考虑典型斜浪参数和超越概率水平,分析水动力计算扭矩与船舶规范(ABS和HCSR)扭矩的差异及原因,提出集装箱船扭矩载荷计算与应用的建议。通过计算45°,60°和75°斜浪条件下的船体结构应力云图,识别斜浪作用下船体结构响应的关键位置,可作为大型集装箱船结构设计过程中船体梁扭转强度计算、舱口角隅设计、抗扭箱强度评估等的参考。     

船体结构极限强度模型试验技术研究

船舶结构的极限承载能力是反映船舶结构安全可靠的重要指标,历来受到船舶工程界的广泛关注;而模型试验技术对船体梁极限承载能力研究拥有重要的意义.本文首先对船体极限强度相似模型设计进行研究,提出了稳定性相似模型补偿的设计方法;接着结合多例经典船体梁缩比模型试验与非线性有限元数值仿真计算结果相结合的对船体梁极限承载能力进行预报的案例,分别从相似准则、弯扭组合极限强度、弯剪极限强度等几个不同的侧重点分别对各个案例进行了详细的总结分析;最后列举了本研究组曾开展的其他若干经典极限强度模型试验.为今后船体梁极限承载能力模型试验研究提供了参考.     

船体梁在循环载荷下的极限强度研究

在船体极限强度的研究中,对船体到达极限强度后的剩余承载能力的研究非常重要,其关系到船体结构的生命力设计,用于判断船舶破损情况下是否还能保持一定的自存能力,制定救援方案以及作为船舶在极端情况下安全性的判断依据。目前此类研究多是针对单次加载,而在实际海洋环境中,船舶会受到交变载荷的作用,如果超过弹性范围,会留下塑性应变,这些残留应变会影响船舶最终承载能力的大小。本文以逐步崩溃法为基础,用Fortran语言开发了计算程序,该程序可以得到船体梁在极限强度后的承载能力,同时通过递增塑性法来模拟循环加载带来的影响,并采用非线性有限元法进行对比验证。     

波激颤振对超大型集装箱船疲劳强度影响评估

随着全球航运规模的进一步扩大,集装箱船的大型化发展成为必然趋势,超大型集装箱船的船型特点导致船体结构遭受更严重的波激振动和砰击颤振作用,对船体结构疲劳强度产生较大影响.根据中国船级社规范和相关要求,基于三维线性/非线性水弹性理论,采用专用的三维水弹性计算软件,对一型超大型集装箱船开展波激振动和砰击颤振下船体结构疲劳强度直接计算评估和影响分析.分析结果表明,相关计算流程、算例和结论可为其他大型船舶在波激振动和砰击颤振下船体结构疲劳强度评估提供参考.     

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。     

基于黏性流体-柔性结构耦合的波浪中船舶非线性波激振动研究

波激弹振和砰击颤振是集装箱船运营中极易出现的两种现象,分析其对船舶运动和剖面载荷的影响,对船舶设计和强度评估具有重要意义。采用黏性流体-柔性结构双向耦合方法对集装箱船模型在不同波长工况下的运动和响应进行求解,其中计算流体力学用于模拟流场的冲击和上浪等非线性现象并得到船体外载荷,然后通过有限元法求解船体运动和变形,两者在流固交界面进行隐式信息交换。计算捕捉到船体的非线性波激振动和颤振,分析结果发现,波激振动和颤振对整体运动影响较小,但会显著增大船体中垂的弯矩幅值,艏、艉区域垂向加速度受颤振的影响较大,当遭遇波浪的倍频成分接近船体湿频率时也会激发船体一定程度的弹振。与文献结果的比较表明,该耦合方法有望成为处理船舶水弹性问题的一种有效手段。     

内河集装箱船弯扭强度分析

以内河集装箱船为研究对象,运用Patran/Nastran对整船建模、施加边界约束载荷及求解。对全船结构有限元模型在设计波载荷作用下分析计算得到各种工况下船体结构的应力、变形响应,获得船体结构强度特点,对该类船舶的结构进行优选设计。     

Progressive collapse analysis of ship hull girders subjected to extreme cyclic bending

This paper introduces a novel analytical method to predict the buckling collapse behaviour of a ship hull girder subjected to several cycles of extreme load. This follows the general principles of the established simplified progressive collapse method with an extended capability to re-formulate the load-shortening curve of structural components to account for cyclic degradation. The method provides a framework for assessing residual hull girder strength following a complex series of unusually extreme load events where the wave induced bending moment rises close to, or even surpasses, the monotonic ultimate strength. These load events may be sequential, such as might be caused by a series of storm waves, or they may occur as a collection of discrete events occurring over a longer period. The extreme cyclic bending amplifies the distortion and residual stress initially induced by fabrication in the flanges of the girder, which results in a deterioration of the residual ultimate strength. Validation is firstly completed through a comparison with previously published experimental work and secondly via comparison with numerical simulation on four ship-type box girders using the nonlinear finite element method.     

大型集装箱船弹振和颤振研究简

随着集装箱船尺度的迅猛增大,弹振和颤振已成为大型集装箱船设计中需要重点关注的问题。从船舶运动和波浪砰击的角度出发,对大型集装箱船弹振和颤振的计算方法和模型试验进行了研究。研究表明,弹振和颤振对大型集装箱船体的结构强度和极限强度都有重要影响,在恶劣海况下,弹振和颤振对船体的影响甚至已经超过波浪对船体的影响。     

波浪中船体梁后极限强度特性的实验评估(英文)

Experimental investigations into the collapse behavior of a box-shape hull girder subjected to extreme wave-induced loads are presented.The experiment was performed using a scaled model in a tank.In the middle of the scaled model,sacrificial specimens with circular pillar and trough shapes which respectively show different bending moment-displacement characteristics were mounted to compare the dynamic collapse characteristics of the hull girder in waves.The specimens were designed by using finite element(FE)-analysis.Prior to the tank tests,static four-point-bending tests were conducted to detect the load-carrying capacity of the hull girder.It was shown that the load-carrying capacity of a ship including reduction of the capacity after the ultimate strength can be reproduced experimentally by employing the trough type specimens.Tank tests using these specimens were performed under a focused wave in which the hull girder collapses under once and repetitive focused waves.It was shown from the multiple collapse tests that the increase rate of collapse becomes higher once the load-carrying capacity enters the reduction path while the increase rate is lower before reaching the ultimate strength.     

内河双壳船极限强度分析

对内河双壳船达到极限状态时剖面上的应力分布情况进行假设,采用直接法对极限强度计算的公式进行推导,并对一条内河双壳实船在完整和破损状态的结构极限承载力进行计算与比较.结果表明,所假设的应力分布对这一类型船舶的极限强度的计算结果具有较高的精度,可以用来估算此系列船舶在完整和破损状态下的极限强度.     

集装箱船整船有限元结构分析

文章以一艘１７００箱集装箱船为例,阐述了整船有限元结构分析方法。先建立全船有限元模型和质量模型,再用三维流体动力计算程序进行波浪随机载荷的长期预报,并在此基础上导出设计波参数组,最后,在全船有限元模型上 计算得出船体结构在各个设计波上的应力分布和变形结果,所得到的船体结构有限元分析结果对同类型集装箱船的设计和强度分析有一定的参考价值,对其它类型的船舶结构强度分析也有一定的借鉴意义。     

纵向箱型梁舱段极限强度试验研究

极限强度是船体结构设计中的重要指标,试验研究是船体纵向极限强度的重要方法.纵向箱型梁是一种已运用在国外舰船上的新型结构型式.鉴于目前国内对此类结构型式的试验研究还不够充分,本文对此型式的舱段模型进行极限强度试验,观察并记录其崩溃过程.应用逐步崩溃法和非线性有限元数值方法进行模型极限强度预报.试验结果证实了极限强度理论计算方法的可靠性,其中国际船级社协会推荐的MARS2000软件的计算结果略偏保守.本试验可以为纵向箱型梁的结构设计提供参考依据.     

损伤舰船结构安全性评估

损伤舰船的承载能力和环境载荷涉及许多不确定因素。为评估某舰损伤情况下的结构安全性,提出了基于极限强度和极值载荷的损伤舰船结构可靠性模型,分析了损伤舰船极限强度和极值载荷的统计特征,采用拉丁超立方抽样与条件期望和对偶变数相结合的方法进行可靠性分析。可靠性分析结果表明损伤舰船目标裕度可取0.75。     

破损船体剩余强度衡准研究

本文研究了船体破损非对称淹水和刚度损失引起的船体外载荷变化,并利用破损船体非对称弯曲极限强度计算方法详细分析碰撞、搁浅和爆炸破损对船体极限强度的影响.然后基于破损船体极值载荷和极限强度,给出破损船体剩余强度衡准,并对破损船体临界海况进行预报.     

Time-domain strip method with memory-effect function considering the body nonlinearity of ships in large waves

A time-domain strip method with memory-effect function considering body nonlinearity is presented. In small waves, results from conventional linear strip theory and the present method for a modified Wigley model were compared with the results of linear theories and with experiments, and they were found to be in good agreement. In large waves, a 716 TEU containership was used to compare time histories of motions and vertical bending moments calculated using the present method with experimental results. The time histories of motion were not strongly distorted, but those of the vertical bending moments were extremely distorted, especially for the fore part, and were far from sinusoidal signals. The time histories of the calculations and the experimental results were found to be, qualitatively and quantitatively, in good agreement. A post-Panamax containership was also used as an example of an up-to-date large bow-flare ship, and the calculated results were also found to be in good agreement with the experimental results.