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。     

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

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。     

船舶模型在波浪下的崩溃数值仿真及试验

大波浪因具有巨大波高而会造成船体结构崩溃失效,甚至断裂,准确预报船体结构在波浪下的非线性动态强度已成为船舶结构新的研究方向。提出一种结合三维势流理论和非线性有限元的数值仿真方法,预报船体结构在波浪下的非线性动态强度,三维势流理论用于计算波浪载荷,非线性有限元用于计算船体结构的弹塑性和屈曲变形。为验证数值仿真方法的准确性,开展能在水池条件下产生结构性崩溃的船体模型试验。该模型由左右两端的刚性船体和舯部的屈曲铰结构组成,能在水池波浪的作用下产生崩溃行为,通过屈曲铰结构的崩溃模拟船体梁的弹塑性特征。模型试验重点测试屈曲铰的大转角变形,并对屈曲铰开展四点弯曲试验和仿真,得到屈曲铰的转角与非线性弯矩的关系,进一步转换获得模型的非线性弯矩。结果表明:数值仿真的转角曲线和弯矩曲线与模型试验的结果均有一定的吻合性,经模型试验验证的数值仿真方法可用于评估船体结构在波浪下的非线性动态强度。     

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。     

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。     

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.     

船体梁极限强度非线性有限元计算方法研究

文章针对Dow 1/3比例护卫舰模型,进行多种方案的船体梁极限强度非线性有限元计算,通过与Smith方法和模型试验结果的对比分析,研究船体梁极限强度非线性有限元建模技术,给出一种较为准确高效的船体梁极限强度非线性有限元计算方法。对于完善《船体梁极限强度的非线性有限元方法计算指南》具有一定的参考价值。     

小水线面双体船波浪载荷水弹性分析

三维水弹性力学将结构分析的有限元方法与围绕柔性体的势流理论结合起来,为在波浪中航行或驻立的复杂结构的运动和内力分析提供了一个流固耦合的统一分析方法,也为小水线面双体船的分析提供了有效的分析工具.文中将水弹性力学方法和谱分析方法相结合,对1 100吨SWATH船进行波浪载荷预报,并将计算结果与水池模型试验数据及国外相关资料进行了对比,说明了水弹性分析方法对于SWATH设计的合理性.     

船舶水弹性力学理论的研究进展

船舶水弹性力学理论在过去近三十年中取得了长足的进步,尤其是三维水弹性理论已被广泛应用于船舶与海洋工程领域的流固耦合问题中。全面地回顾了国内外船舶水弹性力学理论及试验研究的历史与现状,将水弹性力学理论分为二维线性、三维线性、二维非线性、三维非线性等几类,以波浪中航行船舶的水弹性力学理论研究与应用为重点,依次进行了介绍。在船舶水弹性试验方面,着重介绍了国内在整体弹性船模试验研究中取得的进展。     

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.     

Hydroelastic analysis of a very large floating plate with large deflections in stochastic seaway

The hydroelasticity of a very large floating plate with large deflections in multidirectional irregular waves is discussed. After a brief introduction on wave loads on a flexible structure, the paper derives the generalised fluid force acting on a floating structure in multidirectional irregular waves. The nonlinear sectional forces induced by the membrane forces in the plate are deduced. The hydroelastic response equations of a floating plate with large deflections in multidirectional irregular waves are established, and a solution method in the frequency domain is discussed including extreme value statistics. A very large floating structure is chosen as an example. The numerical results show that the influence of the membrane forces on the vertical displacements and the bending moments is noticeable but not that large.     

不同海况下艏部砰击及鞭状效应的试验与数值分析

为了更深入地研究船舶的鞭状效应,在拖曳水池中对某船进行了艏部砰击及鞭状效应分段模型试验研究。提出了一种可以考虑砰击力的非线性水弹性计算方法。并改进了传统的分段模型,采用变截面梁对船体刚度进行模拟以更好地接近实船。在规则波迎浪下观察到了严重的艏部砰击现象。试验数据表明,当波高从5.6m增大到21m时,由于鞭状效应原因,总弯矩相比低频波浪弯矩的增大值从24.64%增长到92.02%。最后,将不同海况下的测量结果与基于线性与非线性水弹性理论的计算结果进行了比较分析,初步验证了文中方法和程序在预报船体波浪载荷中的适用性。     

弹性船体波激响应时域过程的数值模拟

本文从入射波的波浪现实出发，用非线性水弹性积分─微分法进行船体运动和结构动响应的时间历程模拟，直接将试验测量结果与理论计算在时域内作比较，这有利于揭示砰击和上浪等非线性瞬态作用导致冲荡响应的力学机理。这种模拟及其验证方法避免了对理论和试验结果的统计特性进行比较时，因子样长度的限制和数据处理过程所带来的不确定性，比峰值比较更能说明波激响应数学模型的精确性和可靠性。     

Extreme value prediction of nonlinear ship loads by FORM using Prolate Spheroidal Wave Functions

In this study, a method for predicting the extreme value distribution of the Vertical Bending Moment (VBM) in a flexible ship under a given short-term sea state is presented. The First Order Reliability Method (FORM) is introduced to evaluate the Probability of Exceedances (PoEs) of extreme VBM levels. The Karhunen-Loeve (KL) representation of stochastic ocean wave is adopted in lieu of the normal wave representation using the trigonometric components, by introducing the Prolate Spheroidal Wave Functions (PSWFs) to formulate the wave elevations. By this means, reduction of the number of stochastic variables to reproduce ocean wave is expected, which in turn the number of computations required during FORM based prediction phases is significantly reduced. In this study, the Reduced Order Model (ROM), which was developed in our previous studies, is used to yield the time-domain VBMs along with the hydroelastic (whipping) component in a ship. Two different short-term sea states, moderate and severe ones, are assumed. The FORM based predictions using PSWF for normal wave-induced VBM are then validated by comparing with those using the normal trigonometric wave representation and Monte Carlo Simulations (MCSs). Through a series of numerical demonstrations, the computational efficiency of the FORM based prediction using PSWF is presented. Then, the validation is extended to the severe sea state where the whipping vibration contributes to the extreme VBM level to a large degree, and finally the conclusions are given.     

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.