超大型集装箱船艏艉砰击强度直接计算方法

超大型集装箱船的船艏显著外飘、船艉宽平外悬,使其在恶劣海况下航行时容易发生严重的砰击。为确保船体艏艉部结构在砰击中不发生损坏,需要研究作用到艏艉外板上的砰击压力,并以此为设计载荷来校核外板和相连结构的强度。目前对集装箱船砰击局部强度的校核要求仍以经验公式为主,但是为提高对超大尺度船舶强度校核的可靠性,近年来推出了砰击的直接分析方法。本文初步分析了砰击直接分析方法的基本原理,并运用该方法对20,000 TEU集装箱船的艏、艉部砰击压力以及最小板厚要求进行了研讨,其结果可为超大型集装箱船的结构设计提供重要的参考。     

超大型集装箱船艏艉砰击强度直接计算方法

为确保超大型集装箱船首部和尾部的结构在恶劣海况下受到砰击时不发生损坏,需要研究作用到艏艉外板上的砰击压力,并以此为设计载荷来校核外板及其相连结构的强度。针对目前对集装箱船砰击局部强度的校核仍以经验公式为主的情况,提出采用砰击直接分析方法提高超大尺度船舶强度校核的可靠性。初步分析砰击直接分析方法的基本原理,并运用该方法对20 000 TEU集装箱船的艏部砰击压力、艉部砰击压力和最小板厚要求进行分析,为超大型集装箱船的结构设计提供参考。     

客滚船首尾部砰击计算研究

客滚船的特殊线型——艏部外飘幅度较大和艉部的扁平肥大型结构,在营运过程中易受到砰击载荷的作用。由于该类船舶砰击问题显著,故一直是业内研究的热点。以某客滚船为例,针对其艏艉结构进行砰击计算,采用计算量适中,且可实现砰击载荷预报的频域法,将砰击载荷映射到相应各部分的有限元计算模型上,经计算分析,得到艏艉结构在砰击压力下的应力结果,最终实现对客滚船砰击强度的安全评估。整个计算探讨过程,可供同类船舶的设计研究人员借鉴。     

船体首部结构砰击强度有限元评估方法

基于某集装箱船的分段有限元模型,对船体首部结构砰击强度评估方法进行了研究。根据砰击载荷沿船长的分布规律,并比较各规范,确定了船首砰击强度的评估范围。通过分析自航模型试验中艏部压力测点的时历信号,研究了砰击载荷在船体外板上的时间关系和空间分布规律,改进了规范中关于砰击加载区域的划分方法,通过多项式拟合与分段插值的手段,提出了更加精确的砰击加载方法,并且讨论了该方法的可行性。利用有限元计算软件并结合规范,对该船首部结构的砰击屈服强度进行了校核。     

扁平艉型砰击载荷试验研究及结构动态响应分析

针对扁平艉型船舶的艉砰击现象进行了分段模型试验。测量剖面上的垂向弯矩响应,通过频域变换获取砰击弯矩成分,并分析艉砰击对船体梁合成弯矩的影响。基于模型试验测得的砰击压力数据,结合数值仿真计算,获得的压力的时空分布和计算艉部结构在砰击载荷作用下的动态应力响应。研究方法对扁平艉型船舶艉砰击的安全评估具有借鉴意义。     

FPSO关键管路甲板上浪与砰击载荷计算

以FPSO甲板上受波浪冲击的典型结构物为研究对象,从甲板上浪和砰击两个方面分析布置于主甲板、舷侧、船艏及艉部低艉甲板的板型和细长型结构的甲板上浪和砰击载荷计算方法。运用CAESAR II分析软件,建立泡沫、货油卸载、海水排舷外管路的应力计算模型,提出甲板上浪和砰击载荷的合理加载方式,以及对管路布置的优化方案,为类似项目管道工程设计提供依据。     

长艏楼船型艏艉砰击响应试验分析

针对长艏楼船型遭遇的艏砰击及艉砰击现象,采用一系列规则波下的分段模型试验测得典型剖面处的垂向弯矩响应,通过时域向频域的变换获取响应值的非线性砰击弯矩成分,综合分析艏艉砰击载荷下船体的垂向弯矩响应,以及浪向、波高、航速等参数对响应特性的影响。     

恶劣海况中大外飘型舰船的总载荷颤振响应分析

[目的]舰船遭遇恶劣海况时艏部砰击会激起船体梁颤振响应,威胁到总纵强度的安全。砰击颤振弯矩与船体刚度和外飘构型相关,但不同船型结构布置和型线差异大,有必要针对大外飘型舰船开展颤振响应分析。[方法]首先,采用COMPASS-WALCS-NE势流时域水弹性方法预报设计海况下的船体梁总载荷,并与分段自航模试验对比验证;然后,再提取艏部砰击合力、典型时刻的船体运动状态和船体梁总载荷响应的时历曲线,通过分析波浪载荷高低频分量的相位差异,研究船舯砰击弯矩与艏部砰击合力的关联性;最后,围绕船体主要设计参数进行敏感度分析。[结果]在设计海况艏部入水时,其砰击合力出现了2次峰值,分别对应于底板和外飘区域的大面积触水过程;颤振弯矩主要由艏部外飘砰击引起,受力面积大,合力距离船舯远,导致砰击弯矩达到了波浪弯矩的同等幅值;大外飘型舰船的砰击弯矩对波高变化最为敏感。[结论]对于大外飘型舰船的总纵强度评估应考虑砰击颤振的影响,对于中垂砰击弯矩需要直接与静水成分、低频的波浪成分叠加,而中拱砰击弯矩应考虑阻尼耗散,可先折减再叠加。     

船艏自由落体砰击载荷模型试验研究

本文对船艏自由落体砰击载荷进行了模型试验研究,根据不同的落体高度与入水角进行了多次试验,研究了落体高度、入水角等因素对入水速度、砰击载荷及结构响应的影响。研究结果表明:船体入水速度、砰击压力、结构响应等随着落体高度的增大而增大;模型入水过程中,各测量点砰击压力峰值发生时刻存在一定的时间差;结构响应峰值发生时刻也存在一定的时间差;由于斜升角较小,球鼻艏底部的砰击压力峰值最大;外飘区域的砰击压力最大值仅为球鼻艏底部的30%～50%;同一水线面上,从船艏模型艏端向艉端砰击压力峰值逐渐减小;对同一横剖面,外飘下部区域的砰击压力峰值大于外飘上部区域的砰击压力峰值;由于砰击压力对外界影响因素非常敏感,砰击压力与结构响应具有一定的离散性。     

局部砰击载荷预报的规范算法研究与分析

通过比较不同船级社砰击规范的适用范围及要求,对砰击压力展开研究。通过对实例船型的计算和分析,比较不同规范计算得到的艏底和外飘砰击压力。分解砰击压力计算的经验公式,提出对砰击压力有显著影响的参数,比较这些参数对砰击压力影响的程度,以指导砰击载荷作用下船体局部结构的设计实践。     

浮冰冲击作用下的乙烯运输船体 舷侧结构强度分析

对无限航区的21000m3乙烯运输船舷侧结构,分别采用纵骨架式和横骨架式冰区加强设计。根据FSICR规范要求,更新舷侧冰带区域内构件尺寸,并针对艏部冰带区域内船体结构,分别建立了原始的、纵骨架式的和横骨架式的冰带结构设计有限元模型。通过强度计算,认为艏部冰带区新结构满足规范设计载荷要求。在此基础上,单独建立艏货舱冰区舷侧外板板架有限元模型,研究两种新设计形式适用的外板在更大浮冰冲击载荷作用下塑性变形。计算结果表明:纵骨架式结构外板塑性变形明显低于横骨架式。     

基于有限元方法的船首底部结构砰击强度分析

船首底部作为全船的重要受力区域,船舶航行时会受到波浪的拍击,即产生砰击现象,从而威胁船体结构的安全。以某型半潜运输船为例,依据中国船级社(CCS)规范,根据Ochi-Mottor理论进行砰击压力极值计算,并采用有限元方法对该型船艏部区域的结构强度进行分析。数值仿真结果表明,船首底部结构受力沿船长向艏呈逐渐变大趋势,符合砰击现象原理。     

基于船波相对运动的船艏砰击仿真方法

在分析船波相对运动表达式的基础上计算船艏典型剖面的船波相对运动,探讨船艏入水过程中的砰击问题,对比船体某剖面3种入水仿真模型计算所得的砰击载荷,讨论三维外形和航行速度对船艏剖面砰击外载荷的影响。在该分析中,船体在规则波浪中的运动用基于三维势流理论的水动力软件AQWA计算获得,船波相对运动通过理论推导计算获得,用对船艏结构施加强迫运动的方式模拟船波相对运动的真实过程。采用An sys/Ls-Dyna软件的流固耦合分析进行入水仿真,流体划分为ALE体积网格,船艏视为刚体,划分为Lagrange有限元网格。对比结果表明：在三维模型中,相邻剖面引起剖面最大压力点处的液面变化对该点的砰击压力有增大效果,航速有增大剖面砰击压力的作用,减小船艏底部纵向斜升角有利于降低砰击压力。     

基于船波相对运动的船艏砰击仿真方法

在分析船波相对运动表达式的基础上计算船艏典型剖面的船波相对运动,探讨船艏入水过程中的砰击问题,对比船体某剖面3种入水仿真模型计算所得的砰击载荷,讨论三维外形和航行速度对船艏剖面砰击外载荷的影响。在该分析中,船体在规则波浪中的运动用基于三维势流理论的水动力软件AQWA计算获得,船波相对运动通过理论推导计算获得,用对船艏结构施加强迫运动的方式模拟船波相对运动的真实过程。采用An—sys／Ls—Dyna软件的流固耦合分析进行入水仿真,流体划分为ALE体积网格,船艏视为刚体,划分为Lagrange有限元网格。对比结果表明：在三维模型中,相邻剖面引起剖面最大压力点处的液面变化对该点的砰击压力有增大效果,航速有增大剖面砰击压力的作用,减小船艏底部纵向斜升角有利于降低砰击压力。     

浮冰冲击作用下的乙烯运输船舷侧结构强度分析

对无限航区的21000m3乙烯运输船舷侧结构,分别采用纵骨架式和横骨架式冰区加强设计。根据FSICR规范要求,更新舷侧冰带区域内构件尺寸,并针对艏部冰带区域内船体结构,分别建立了原始的、纵骨架式的和横骨架式的冰带结构设计有限元模型。通过强度计算,认为艏部冰带区新结构满足规范设计载荷要求。在此基础上,单独建立艏货舱冰区舷侧外板板架有限元模型,研究两种新设计形式适用的外板在更大浮冰冲击载荷作用下塑性变形。计算结果表明:纵骨架式结构外板塑性变形明显低于横骨架式。     

基于Ochi-Mottor理论的船艏底部砰击评估方法

针对船舶在恶劣海况下航行时的砰击问题,在船舶设计阶段应用《钢质海船入级规范》(2016)中有关船艏底部砰击强度评估的方法,采用较普遍的Ochi-Mottor理论进行砰击压力极值计算预报,选取散货船最小艏吃水装载工况,运用Sesam-HydroD三维耐波性程序直接计算砰击压力极值,根据具体的加载方式与位置,依次对船艏底部外板、纵骨、板架进行强度评估,针对砰击区域出现应力过大的板架结构,提出封堵减轻孔或增加三角肘板的建议。     

30万t FPSO外加电流阴极保护系统设计

考虑到FPSO设计为30年不进坞,需要设计满足外板防腐要求的ICCP系统,按照规范计算经验布置艏艉两套ICCP系统,通过数值仿真软件建立三维模型后进行模拟分析,校核在作业期间ICCP系统输出的保护电流以及船体各区域保护电位值。按照数值模拟结果,对ICCP系统设计进行调整和优化,数值结果表明,简单按照规范计算得出保护电流后确定的ICCP系统,存在部分区域保护电流分布不均,出现过保护或欠保护的现象。基于规范计算结果,采用数值仿真软件进行ICCP系统设计模拟分析后,针对FPSO船体外形结构型式特点,通过艏、中、艉部区域配置不同型号辅助阳极,增大辅助阳极屏蔽层面积,能够让外板保护电流更加均匀分布,保持合理的保护电位。     

基于有限元方法的船首底部结构砰击强度分析

船艏底部作为整船中的重要受力区域,船舶航行时,其与波浪会发生相对碰撞,即产生砰击现象,从而对船体的结构安全造成隐患。本文以某型半潜运输船为例,结合中国船级社(CCS)规范,根据Ochi-Mottor理论进行砰击压力极值计算,并采用有限元方法对该型船舶艏部区域的结构强度进行分析。     

砰击载荷作用下船艏结构瞬态响应研究

砰击现象对高速舰船艏部局部结构破坏相当严重,对舰船和人员的安全构成较大威胁,然而由于砰击载荷的瞬态性和强非线性,其计算理论还很不成熟,舰船艏部结构在砰击作用下的应力响应更鲜有人研究。基于此,利用设计波下确定的砰击压力极值,结合以往试验测定的砰击压力随时间的变化关系,计算得到砰击压力的时空分布,然后将其施加在船艏精细有限元模型上,利用中心差分法进行数值计算,并对计算中一些关键参数的设置值做不同尝试,得到了较理想的艏部结构应力响应历程。     

砰击载荷作用下船艏结构瞬态响应研究

砰击现象对高速舰船艏部局部结构破坏相当严重,对舰船和人员的安全构成较大威胁,然而由于砰击载荷的瞬态性和强非线性,其计算理论还很不成熟,舰船艏部结构在砰击作用下的应力响应更鲜有人研究。基于此,利用设计波下确定的砰击压力极值,结合以往试验测定的砰击压力随时间的变化关系,计算得到砰击压力的时空分布,然后将其施加在船艏精细有限元模型上,利用中心差分法进行数值计算,并对计算中一些关键参数的设置值做不同尝试,得到了较理想的艏部结构应力响应历程。