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.     

规则波和不规则波中船舶艉砰击及其振动响应的试验研究

在拖曳水池中对某船舶进行了艉砰击及其振动响应的试验研究.在规则波以及不规则波中的零航速、艉随浪情况下观察到了严重的艉砰击现象.试验数据分析表明,合成弯矩可以分成由波浪载荷引起的低频成分以及由砰击载荷引起的高频成分.由于严重艉砰击载荷的作用,发现在某次规则波试验中合成弯矩比波浪弯矩要大出44%,在3.24m不规则波中合成弯矩增加了43%.不规则波中的试验数据统计表明合成弯矩分布范围服从Weibull分布.推导了服从Weibull分布随机变量的短期概率极值预报公式,针对试验数据进行了预报.还讨论了试验数据分析中的不确定性问题.试验研究表明,对于艉部平坦肥大的船舶,在设计和使用中需要引起对艉砰击及其振动响应问题的重视.     

超大型矿砂船波激振动与砰击颤振分析

文章对某超大型矿砂船进行了波激振动和砰击颤振分析，并将波激振动计算结果与模型试验结果进行了比较分析，结果比较接近，说明在设计阶段合理采用数值模拟计算方法进行波激振动预报是可行的。阐述了波激振动与砰击颤振对超大型矿砂船疲劳强度和船体梁极限强度的影响，同时分析了波激振动和砰击颤振的主要影响因素，对大型船舶的设计有一定的指导和借鉴意义。     

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。     

波浪对海上施工平台砰击作用的试验研究II:不规则波

为研究施工平台下表面在波浪场中可能受到的砰击荷载,通过几何比尺为1?50的物理模型试验开展了不规则波对不同倾角和不同高度海上平台的砰击作用三维水池试验研究,讨论了入射有效波高、相对板长、平台净空高度和平台倾角与波浪砰击压强和砰击压力的关系。研究结果表明,平台在不规则波作用下的砰击压强及砰击压力极值具有随机性,经过傅里叶变换,其作用周期与波浪周期一致,并存在明显的高阶成分;5个倾角平台受到的砰击压力随着相对板长的增大而减小,即长波引起的砰击力较大,短波造成的砰击力较小;考虑波浪要素及结构倾角和平台净空高度等因素的影响,给出不规则波作用下固定式海上施工平台下表面受到波浪砰击力有效值的计算表达式,可快速得到平台受到的波浪砰击力,并分析了规则波和不规则波引起砰击力的关系。     

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。     

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.     

考虑水弹性效应的船体监测疲劳损伤评估方法

船舶结构应力监测系统作为智能船体的主要技术手段之一,近年来已逐步应用于高性能船和大型运输船,但考虑波激振动、砰击颤振水弹性效应的船体结构监测技术,目前还少有应用实例。超大型集装箱船船体梁刚度较小、大外飘船艏结构等特点使得波浪中更容易发生共振与颤振,这些波浪诱导的高频成分对船体结构的疲劳影响需要进一步研究。本文考虑波激振动等水弹性效应影响,对风浪中航行的超大型船舶进行了结构疲劳损伤评估分析方法的研究,并对一艘21 000 TEU集装箱船实船监测数据进行了数据分析,量化研究了波激弹振对监测结构疲劳寿命的影响。     

结构安全监测系统在超大型集装箱船上的应用

为有效解决超大型集装箱船中波激振动或砰击颤振引起的船体疲劳强度和极限强度问题,丰富相关实船验证数据,采用考虑波激振动和砰击颤振水弹性效应的船体结构安全监测系统对船舶的结构安全进行监测。在某超大型集装箱船上的重要结构处和敏感部位合理布点,对应力、加速度和波浪等参数进行融合,对可能遇到的超阈值的结构应力等提供预警和辅助决策,规避船舶航行过程中人为决策失误引发的风险,增强船体结构的风险预防能力,提升船舶运营的安全性。通过对实船监测的数据进行回归,开展实船波激振动分析,为后续超大型船水弹性效应研究提供参考。     

波浪对海上施工平台砰击作用的试验研究Ⅰ:规则波浪

为探究施工平台下表面在波浪场中可能受到的砰击荷载,文章通过几何比尺为1?50的物理模型开展了规则波对不同倾角和不同高度海上平台的砰击作用三维水池试验研究,讨论了入射波高、相对板长、平台相对高度与平台倾角与波浪砰击压强和砰击压力的关系。研究结果表明：规则波作用下波浪对平台的砰击压强及砰击压力具有随机性和周期性,高阶波浪砰击力明显;五个倾角平台受到的砰击压力随着相对板长的增大而减小;考虑波浪要素及结构倾角和平台净空高度等因素的影响,拟合出规则波作用下固定式海上施工平台下表面受到波浪砰击力的计算公式,可为规则波作用下的砰击力快速计算提供有益帮助。     

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。     

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。     

基于混合两步法的船舶砰击载荷预报研究

文章针对船舶结构设计时重点关注的艏部砰击载荷问题,综合考虑计算效率及精度,提出了基于势流理论和计算流体力学方法的混合两步法。第一步,采用三维势流理论预报波浪中有航速船舶的运动响应,分析船波相对运动;第二步,根据预报砰击载荷所在位置的船体横剖面,建立等截面的三维立体模型,采用基于有限体积法与动网格技术的计算流体力学方法,基于第一步得到的相对运动结果模拟落体入水过程,计算砰击压力。使用该两步法预报了某超大型油轮在压载工况顶浪航行时候的艏部砰击压力,并讨论了相对运动和砰击压力的时域历程规律。文中数值预报结果得到了水池模型实验的验证,表明该方法的可行性和预报结果的合理性。     

Efficient calculation of slamming pressures on ships in irregular seas

An efficient method for calculation of the slamming pressures on ship hulls in irregular waves is presented and validated for a 290-m cruise ship. Nonlinear strip theory was used to calculate the ship–wave relative motions. The relative vertical and roll velocities for a slamming event were input to the slamming calculation program, which used a two-dimensional boundary element method (BEM) based on the generalized 2D Wagner formulation presented by Zhao et al. To improve the calculation efficiency, the method was divided into two separate steps. In the first step, the velocity potentials were calculated for unit relative velocities between the section and the water. In the next step, these precalculated velocity potentials were used together with the real relative velocities experienced in a seaway to calculate the slamming pressure and total slamming force on the section. This saved considerable computer time for slamming calculations in irregular waves, without significant loss of accuracy. The calculated slamming pressures on the bow flare of the cruise ship agreed quite well with the measured values, at least for time windows in which the calculated and experimental ship motions agreed well. A simplified method for calculation of the instantaneous peak pressure on each ship section in irregular waves is also presented. The method was used to identify slamming events to be analyzed with the more refined 2D BEM method, but comparisons with measured values indicate that the method may also be used for a quick quantitative assessment of the maximum slamming pressures.     

船艏底部砰击压力概率预报方法研究

在Ochi概率统计方法的基础上探索一种适合于非常规船型船艏底部砰击压力的概率预报方法。该方法在时域中计算船舶在波浪中的运动响应,基于Msc.Dytran计算砰击压力系数,在此基础上采用蒙特卡罗法对砰击压力的概率特性进行预报。分析了砰击时的船波相对速度和波面倾角对压力系数的影响。研究结果表明,船舶在静水和波浪中的砰击压力特性有很大差异,在波峰与波谷处发生砰击时产生的砰击压力大于在波面其它位置产生的压力值,相对速度对砰击压力系数的影响在波面不同位置呈现出不同的特点。     

Investigation of springing in ship structures using experimental methods and 3-D hydroelastic theory

Large and long ships experience springing behavior. Depending on the trade routes and design of such ocean-going ships, wave-induced vibrations may be due to springing and whipping effects. In this paper, we address the wave-induced vibrations in an ultra-large ore carrier under fully loaded and ballast conditions. The experimental measurements from tests performed using a flexible model of the ship were compared with the numerical predictions from 3-D hydro-elastic theory (THAFTS) (Wu, Hydroelasticity of floating bodies. PH.D thesis, Brunel University, 1984). The measurements showed multiple frequencies between the encountered wave frequency and the 2-node bending frequency that occurred only in ballast conditions, whereas the springing vibrations were more apparent with forward speed under ballast conditions in both regular and irregular waves. The numerical method predicted the vertical bending moment quite well in the fully loaded condition but underestimated it in the ballast condition. This result was primarily due to an inability to capture the prediction of the multiple frequencies between the encountered wave frequency and the 2-node bending frequency. Using THAFTS, a new ship form with a deep draft was introduced, and this vessel was shown to reduce springing vibrations.     

Numerical and experimental analysis of bow flare slamming on a Ro–Ro vessel in regular oblique waves

A method for the prediction of slamming loads on ship hulls is presented and validated for a 20-knot, 120-m car carrier. A nonlinear strip theory is used to calculate the relative motions of ship and wave. The relative vertical and roll velocities for a slamming event are given as input to the slamming calculation program, which is based on a generalized two-dimensional Wagner formulation and solved by the boundary element method. The method is fast and robust. Model tests of a car carrier have been carried out in regular head, bow, and bow quartering waves of various heights. Slamming on two panels in the upper part of the bow flare has been studied. It has been found that the water pile-up around the bow due to the forward speed of the vessel significantly increases the slamming pressures. A simplified way of including this effect is presented. When the calculated slamming pressures are corrected for 3D effects, they compare well with the measured data. Since the effect of the wave elevation due to the forward speed and the effect of three-dimensional flow act in opposite directions, excluding both of them produced results that also agreed quite well with the experiments, especially for the most severe slamming events.     

关于船舶规范中计算载荷的分析

本文利用非线性切片理论，以两条不同类型的船舶为例，具体分析了现行规范中关于波浪弯矩、砰击振动弯矩以及弯矩迭加计算时存在的一些问题；指出了在确定计算载荷时应当计及船舶在波浪中的失速，所谓的谐振波不一定就是最危险的规则子波，按动量冲击理论计算以底部砰击为主的船舶是不合适的，不应把波浪弯矩和砰击报动弯矩的最大值简单相加来确定合成弯矩。