基于三维水弹性方法散货船运动与波浪载荷分析

采用三维有限元方法分析船体干结构在真空中的振动模态,结合模态叠加法和边界元法计算船体在流场中的水弹性主坐标响应,给出船体剖面载荷。讨论波激振动对船体结构疲劳损伤的影响,分析表明,大型船舶的弹性效应较为明显,在高频处容易发生波激振动现象,而波激振动加大了船体结构的疲劳损伤。     

基于模型试验与三维水弹性理论的船舶波激振动响应研究

船体波激振动使得船体结构中产生高频、持续和具有一定幅值的振动应力,可能引起结构发生严重的疲劳损伤,因而对船舶结构的安全性带来严峻的挑战。文章以一艘大型LNG船为研究对象,采用三维线性水弹性理论与水池模型试验方法对船舶波激振动响应进行了比较分析,研究了规则波与不规则波中的波激振动特性。改变该LNG船的刚度,并保持船型、重量分布等其它主船体特征不变,在模型试验和理论计算中探讨了刚度对波激振动的影响。通过两种刚度船体梁的模型试验与理论计算结果的比较分析,给出了波浪周期和船体刚度的变化对波激振动影响的几点结论。     

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。     

基于FEM-BEM法考虑弹振效应的超大型船舶结构疲劳损伤分析

为了研究超大型船舶波激振动响应及其对结构疲劳损伤的影响,提出综合有限元-边界元(FEM-BEM)法和考虑船体弹振效应的谱分析法对超大型船舶结构疲劳损伤进行分析。首先,基于三维有限元模态分析法获取各阶振动的位移及应力振型和主质量等,作为三维频域水弹性理论预报的输入参数;然后,将水弹性理论预报所得的主坐标与三维有限元分析所得的应力振型结合并叠加,得到结构应力响应函数;最后,基于谱分析法,计算波浪载荷与弹振载荷对结构疲劳累积损伤的贡献度。研究表明,与传统梁理论和准静态有限元法相比,论文提出的方法可更合理地计算大型船舶的高频弹振响应及其对结构疲劳损伤的影响。     

大型集装箱船舱口角隅高低周复合疲劳寿命预报方法研究

大型集装箱船遭遇高海况时，舱口角隅处应力水平可能接近甚至超过材料屈服极限，因此循环极端载荷作用下的舱口角隅疲劳损伤可视为高低周复合疲劳问题。本文采用一种高低周复合疲劳寿命预报模型对某大型集装箱船的舱口角隅进行疲劳寿命预报。首先建立全船有限元模型和水动力模型，给出不同浪向角及波浪频率下舱口角隅节点的热点应力传递函数，然后采用北大西洋波浪散布图得到节点的应力范围，对其中超过80%屈服应力的海况，通过Neuber公式求出角隅节点的弹塑性循环应力应变幅，最后采用复合疲劳模型计算得到舱口角隅的高低周复合疲劳寿命。与采用谱分析方法预报的疲劳寿命进行对比后的结果显示，高海况导致舱口角隅发生的低周疲劳损伤不可忽略，应采用高低周复合疲劳评估方法对其进行寿命预报。本文工作可为船体结构疲劳寿命的准确预报提供参考。     

THAFTS在大型散货船水弹性响应中的应用

随着船舶主尺度的增加,在进行船舶运动与波浪载荷分析时,为了考虑船体弹性变形与流体运动的相互作用,有必要采用水弹性分析方法。采用中国船舶科学研究中心开发的三维水弹性软件THAFTS对大型散货船的水弹性响应进行研究。首先,采用有限元方法分析了船体在真空中的固有频率和振型;然后基于模态叠加原理,计算了船体在波浪中的运动和水弹性响应,并讨论了航速对波浪载荷的影响;最后探讨了波激振动对船体结构疲劳损伤的影响,所得结论对于大型船舶的结构设计具有重要的参考价值。     

散货船弹性舱口角隅设计

针对散货船舱口角隅自由边的应力峰值通常较高,疲劳寿命难以满足,舱口角隅处通常需要嵌入厚板才能满足规范要求的问题,引入弹性舱口角隅的设计概念,通过对原角隅处产生一个下凹圆弧形弹性接头来降低舱口角隅自由边的应力。通过分析下凹圆弧的位置、半径及下凹部分长度对舱口角隅自由边应力和疲劳寿命改善效果的影响,探讨弹性舱口角隅的一般设计原则。结果表明,下凹圆弧的位置对自由边应力影响不大;下凹圆弧半径越大、下凹部分长度越长,则自由边应力越小,疲劳寿命越长。与传统舱口角隅相比,弹性舱口角隅可大幅降低舱口角隅自由边的应力,提高其疲劳寿命,降低舱口角隅发生疲劳裂纹的风险。     

船体梁刚度对波激振动影响的比较研究

船舶大型化发展的趋势使得其尺度越来越大,而结构轻量化设计的需求则使高强度钢被大量应用于其结构设计之中,相对于传统的小尺度船舶,相对刚度的下降使得船体梁变得越来越"软",这将导致大型船舶在波浪中航行时船体结构波激振动特性发生变化。采用模型试验和理论预报的方法,研究某大型工程船在不同船体梁刚度下的低频和高频垂向波浪载荷响应。分段试验模型采用2种横剖面惯性矩的钢质梁,用以分别模拟船舶横剖面原始的和变化后的刚度。采用三维水弹性理论对该船在波浪中的响应进行预报,并与模型试验结果进行比较。结果显示:小刚度的船体梁更易在波浪中发生波激振动;频繁的波激振动将导致结构发生严重的疲劳损伤问题。这种刚度变化对船体梁波激振动的影响规律表明,有必要将刚度作为大型船舶结构优化设计的重要参数之一。     

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。     

船舶舱口角隅疲劳强度及热点应力研究

舱口角隅部分的疲劳问题是疲劳分析的重要内容。本文建立了某船的全船有限元模型并分别采用嵌入式模型和外部模型对舱口角隅进行细化。比较不同的单元类型、热点应力选取方式对疲劳损伤的影响。同时采用直接计算的谱分析方法计算了舱口角隅的疲劳损伤。发现当选用最大主应力作为热点应力时实体单元计算结果较壳单元偏小。同一类型单元节点数目的不同对损伤结果影响不大。热点应力选取方式对疲劳损伤的计算影响较大,在对舱口角隅疲劳强度进行分析时建议选用最大主应力插值的方式计算热点应力。     

船舶舱口角隅疲劳强度及热点应力研究

舱口角隅部分的疲劳问题是疲劳分析的重要内容.本文建立了某船的全船有限元模型并分别采用嵌入式模型和外部模型对舱口角隅进行细化.比较不同的单元类型、热点应力选取方式对疲劳损伤的影响.同时采用直接计算的谱分析方法计算了舱口角隅的疲劳损伤.发现当选用最大主应力作为热点应力时实体单元计算结果较壳单元偏小.同一类型单元节点数目的不同对损伤结果影响不大.热点应力选取方式对疲劳损伤的计算影响较大,在对舱口角隅疲劳强度进行分析时建议选用最大主应力插值的方式计算热点应力.     

椭圆形舱口角隅的疲劳强度研究

基于《钢质海船入级规范》以及《船体结构疲劳强度评估指南》对椭圆形舱口角隅的相关规定,应用自主开发的椭圆形舱口角隅网格自动划分系统,创建不同尺寸与板厚的椭圆形角隅细化模型,利用MSC.Patran有限元软件对该区域进行疲劳计算,分析其边缘热点应力,从而得出角隅尺寸、板厚对角隅疲劳强度热点应力的影响规律。     

VLCC在波浪中弹性响应的理论与模型试验研究

商船的大型化发展使得船长变得越来越长.这将导致大型船舶在大洋中航行时船体梁产生由于流固耦合作用引起的波激振动和砰击颤振.文章采用模型试验和理论预报方法研究了一艘VLCC在满载和压载条件下的低频和高频垂向波浪载荷响应特性.试验模型长度超过6m,采用两根非均匀截面梁来连接模型分段,并在分段处测量模型横剖面处的垂向弯矩.理论计算采用二维非线性切片理论和三维线性水弹性理论,预报结果和模型试验结果进行了比较.分析发现船体梁的波激振动易在小波高和低波浪周期下发生,尤其是船体梁的两节点垂向湿谐振频率为遭遇波浪频率整数倍的时候.波幅增大后,船体梁还将发生砰击颤振.波浪持续激励时波激振动和砰击颤振往往会耦合发生,由于船体梁小结构阻尼的影响,目前的技术手段难以从船体梁总振动中把它们分离开来.船舶的装载条件会对船体梁的振动特性尤其是波激振动产生较大的影响,研究发现压载条件下的波激振动响应要比满载条件下的严重,在已有文献中提到这种影响的机理在文中得到了模型试验和理论计算的再验证.     

基于谱分析方法的超大型集装箱船舱口角隅结构设计

分析超大型集装箱船舱口角隅区域容易发生疲劳的位置,并基于线性累积损伤理论,论述谱分析方法原理,提出一种在疲劳谱分析时的加强方案快速研讨方法,总结设计阶段舱口角隅位置的几种加强方案,并分析了制造阶段常用的几种后处理方法。     

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.     

散货船舱口角隅损伤解析

对于散货船,为提高装卸效率,货舱一般采用长大开口,舱口角隅处易发生损伤破坏。为确保船体结构安全可靠,本文研究开发了综合船体作用载荷计算和结构响应分析系统,对一条大开口散货船舱口角隅损伤发生的原因进行了计算分析,并根据计算结果分析舱口角隅损伤发生的原因。     

大型油船和散货船波激振动及其对结构疲劳寿命的影响

通过一艘大型油船和一艘大型散货船在水池中的波激振动模型试验,研究了规则波和不规则波中的船体波激振动现象,利用试验获得的短期海况下的高低频应力数据计算分析了波激振动对实船典型结构疲劳损伤的影响。在此基础上,通过对试验数据的规律性研究,提出了一种快速估算短期海况中船体波激振动特征及其对结构疲劳寿命影响的方法。利用该方法,结合几条典型航线的长期海况统计资料,研究了不同航线上船体波激振动对结构疲劳寿命的影响。研究结果认为:大型油船和散货船在压载状态下存在明显的波激振动现象,不同航线上的波激振动强度及其对结构疲劳寿命的影响差别较大;快速估算方法能够合理地评估船体在波激振动下的结构疲劳损伤,具有一定的工程实用价值。     

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。     

基于不同试验方法和非线性水弹性时域理论的鞭振弹振响应研究（英文）

船体主尺度增大会导致严重的鞭振和弹振现象,这会增大船体结构的极限载荷和疲劳损伤。为了深入探究船体的振动响应,文中在拖曳水池对某万箱集装箱船分别进行了分段模型的自航和拖航试验。分析了不同海况下自航和拖航这两种试验方式对鞭振和弹振响应的影响。为计及不同振动频率成分对载荷响应的影响,提出一种考虑波浪记忆效应的非线性水弹性方法。文中提出了一种求解延时函数的方法,能够解决高频区域的阻尼系数的计算限制。最后,船舯弯矩试验结果分别和线性与非线性理论结果进行了比较,发现文中提出的非线性方法能够更好地预报弹性船体的振动响应。     

基于不同试验方法和非线性水弹性时域理论的鞭振弹振响应研究

船体主尺度增大会导致严重的鞭振和弹振现象,这会增大船体结构的极限载荷和疲劳损伤.为了深入探究船体的振动响应,文中在拖曳水池对某万箱集装箱船分别进行了分段模型的自航和拖航试验.分析了不同海况下自航和拖航这两种试验方式对鞭振和弹振响应的影响.为计及不同振动频率成分对载荷响应的影响,提出一种考虑波浪记忆效应的非线性水弹性方法.文中提出了一种求解延时函数的方法,能够解决高频区域的阻尼系数的计算限制.最后,船舯弯矩试验结果分别和线性与非线性理论结果进行了比较,发现文中提出的非线性方法能够更好地预报弹性船体的振动响应.