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。     

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。     

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。     

波激振动对超大型集装箱船疲劳强度的影响研究

超大型集装箱船具有开口大、刚度低和航速快等特点,导致其波激振动现象突出,增加了疲劳破坏风险。论文以18, 000TEU箱船为研究对象,考虑对称与反对称模态的共同作用,采用有限元法进行干模态分析。基于三维线性频域水弹性理论,对其进行水弹性效应分析。然后采用谱分析法,通过直接计算求解热点应力响应,结合线性累积损伤法,求得疲劳损伤值和疲劳年限,并将其与刚体理论结果对比,分析波激振动对舱口角隅疲劳的影响。研究表明:当遭遇频率接近船体湿固有频率时,波激振动效应会引起船体载荷高频响应及应力高频响应,使得舱口角隅疲劳累计损伤度大幅增加,疲劳寿命普遍降低约30%～40%,部分节点甚至高达50%多。     

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。     

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。     

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.     

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。     

船舶结构模态计算及三维湿表面网格自动生成方法

远洋船舶已经成为世界经济贸易商品物流的主要载体,船舶结构不仅要满足静强度和刚度的要求,由于船舶在航运过程中可能会受到不同的激振力,船体结构还需要满足振动条件下的结构特性,防止船体结构由于振动作用产生疲劳破坏,也需要防止船体的激振频率与固有频率的共振现象。本文结合有限元计算方法对船舶结构在激振力下的模态特性进行了力学仿真。在建立有限元模型时,采用一种三维湿表面网格自动生成方法,提高了模态仿真的精度。     

船舶波激振动研究进展

随着船舶大型化的发展,高强度钢的大量使用,对于船舶长度超过300m以上的大型船舶来说,波激振动现象逐渐突出。波激振动是一种高频谐振,它对船体结构的疲劳寿命产生重大影响。文章从理论预报、模型试验和实船测试三个方面对船舶的波激振动现象进行综合性的阐述,并提出当今船舶波激振动领域的研究展望。     

钢悬链式立管涡激振动疲劳损伤参数分析

针对钢悬链式立管的结构特性,采用了简化后的振动模型。先对立管进行了模态分析;再根据立管的模态特性结合环境水流参数,采用模态叠加法对立管进行了涡激振动疲劳损伤分析。分析过程中,通过改变流速大小、立管壁厚、立管外径、内部介质以及抑制立管涡激振动的螺旋列板长度等参数,对立管的涡激振动疲劳损伤进行了相应的参数分析。结果表明:立管疲劳损伤随水流速度的增大、立管外径的增大以及内部介质密度的降低呈现上升趋势,但是壁厚变化对立管疲劳损伤大小影响却不显著。     

箱型超大型浮体在规则波中的运动响应

对箱型超大型浮体的波激振动响应作了理论背景的介绍。根据结构特点与响应特征，用旨性薄板理论简化结构，用边界元法计算流体动力，并用模态综合法计算波激振动响应。在计算中考虑了弹性振动模态与流场的相互作用。对超大型浮体模型试验的数值试验的数值模拟证明了理论计算的可行性和有效性。     

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.     

深水M型跨接管涡激振动疲劳损伤评估

针对涡激振动引发深水M型跨接管发生疲劳损伤的问题,考虑到M型跨接管非平直管道,弯管的引入对跨接管疲劳评估带来较大的困难,以南海某跨接管为例,通过ABAQUS软件进行跨接管模态分析,形成SHEAR7软件的模态输入文件,对跨接管分区使用SHEAR7软件分析跨接管的顺流涡激振动和横流涡激振动疲劳损伤。     

深水钻井平台-隔水管系统波激疲劳分析

平台运动是深水钻井隔水管系统波激疲劳的主要来源之一。传统的隔水管波激疲劳分析不考虑或简化钻井平台运动,为了更精确地评估隔水管系统波激疲劳损伤,建立了深水钻井平台-隔水管耦合系统动力学模型及波激疲劳损伤评估方法,开展了动力定位和锚泊定位模式下的隔水管系统动力学响应及疲劳损伤分析,深入揭示深水钻井隔水管系统波激疲劳动力学特性。结果表明,两种定位模式下的平台-隔水管系统受波浪载荷的影响,在常规波浪频率范围内发生波频振动,锚泊定位模式下的平台-隔水管系统还呈现一定的低频特性;两种定位系统下的深水钻井隔水管系统疲劳损伤最大值均发生在隔水管系统顶部,锚泊定位模式下的隔水管系统波激疲劳损伤变异系数较大,动力定位系统下的隔水管系统波激疲劳损伤较大。     

船体直翼桨区域结构疲劳时域分析

针对船体直翼桨区域的结构疲劳问题,基于应力叠加原理,探讨激振载荷和波浪载荷联合作用下的结构响应时域计算流程.在此基础上,提出了该区域的结构疲劳时域分析方法.通过对某船进行疲劳损伤计算,分析了激振载荷和波浪载荷对疲劳寿命的影响.结果表明,2种载荷对直翼桨区域结构疲劳损伤占比较大,其中在靠近船体中线面附近,波浪载荷对结构疲...     

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。     

超大型矿砂船波激振动及颤振研究

为研究超大型矿砂船的波激振动和颤振现象,通过某超大型矿砂船波浪载荷和合成载荷的预报计算,并将计算结果和模型试验结果比较,给出了该船的波浪载荷特征.研究表明:波激振动是一种船体结构与波浪载荷间的共振现象,它和颤振都是船舶在波浪中运动时产生的高阶振动.一般地,波浪周期较短且波高较小时,大型船舶容易产生波激振动现象,然而,在大波高时,船体往往会由砰击引起颤振,但由于振动衰减阻尼很小,较难区分此时产生的是波激振动还是砰击振动或者是其组合.因而高阶波浪矩包含了波激和砰击颤振成分.波激振动在该类超大型船舶的总波浪载荷中占有很大的比例,且在不同航线上的影响程度也不同.研究结果对该船及同类超大型船舶的结构设计具有重要意义.     

钢悬链式立管涡激振动疲劳损伤分析

针对钢悬链式立管的特点,采用了简化后的振动模型,在ANSYS的CAE模块中根据悬链线方程建立了立管的有限元模型,并对立管进行了模态分析。通过对前若干阶模态进行后处理,得到包括归一化振型、斜率以及曲率的模态输入文件,将此模态文件输入SHEAR7中,进行涡激振动分析,计算出立管年疲劳损伤率。计算结果表明:立管的疲劳损伤沿着立管轴线方向呈振荡性质,且最大疲劳损伤出现在边界区域,随着水流速度的增大,立管的疲劳损伤的峰值呈上升趋势。