超大型船舶砰击颤振与波激振动研究进展

砰击颤振对船体结构响应会产生重要影响,波激振动对船舶结构的疲劳寿命会构成严重的威胁。超大型船舶的研发设计必须计及砰击颤振与波激振动对船体结构强度的影响。本文对超大型船舶砰击颤振与波激振动的试验和理论研究进展进行梳理,从波浪载荷、砰击颤振、波激振动三方面入手,总结国内外的研究成果,并提出该领域未来的研究方向。     

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.     

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.     

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.     

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。     

基于谱分析法的船舶结构疲劳强度评估

  目的  常规疲劳损伤谱分析法只考虑了线性波浪载荷对疲劳寿命的影响,对于大外飘型船舶,如何考虑非线性砰击载荷的影响成为疲劳损伤计算的难点。  方法  首先,采用非线性时域方法计算船体总弯矩的时历分布;然后,结合雨流计数法,统计出船体节点在非线性砰击载荷下的疲劳应力范围分布,进而得到船体节点考虑非线性砰击载荷影响的疲劳损伤;最后,将其与线性波浪载荷产生的疲劳损伤予以对比,计算非线性砰击弯矩对某大外飘型船舶疲劳总损伤的放大系数。  结果  经计算,考虑砰击载荷后,疲劳损伤放大约40%。  结论  采用该计算方法对具有严重砰击载荷的船舶进行疲劳损伤计算具有实际参考意义。     

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。     

超大型 VLCC 波激振动和砰击振动模型试验研究

船舶的波激振动和砰击振动对船舶结构的安全性有较大影响。文章以一艘超大型 VLCC 为研究对象,通过变截面梁分段模型试验方法对船舶在规则波和不规则波中波激振动和砰击振动响应进行了比较分析,介绍了船模波浪载荷试验中模型的设计原则,通过静水试验得到了船体梁垂向振动频率特性、振动阻尼和静水兴波弯矩等参数,通过规则波和不规则波试验分析了波高、波浪周期和装载状态等因素对波激振动和砰击振动的影响。该文的研究结果对大型船舶的结构设计具有一定的指导意义。     

非线性波浪载荷作用下的船体结构疲劳损伤

近年来,在非线性波浪载荷（含砰击响应）作用下的船体结构疲劳损伤,已成为船舶力学研究和结构设计界颇为关注的一个前沿论题。本文以具有大外飘船舶为背景,采用谱分析法首先在短期预报范围内分析非线性波浪弯矩、非线笥合成弯矩（含砰击振动弯矩）对船体结构疲劳损伤的影响;然后,在设定的船舶长期使用环境中,用不同的载荷理论估计和分析结构的疲劳损伤;同时计算分析了平均应力、二种计数法、不同长期疲劳损伤分析方法、二种Ｓ     

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。     

Fatigue damage calculation for oil tanker and container ship structures

The fatigue behaviour of longitudinal stiffeners of oil tankers and container ships, subjected to dynamic loads, is analysed. The following dynamic load components are considered: hull girder vertical wave bending moment, alone and combined with the horizontal wave bending moment, hydrodynamic pressure and inertial forces caused by cargo acceleration.

The spectral method was selected to calculate the fatigue damage, based on S—N curves and Miner's rule. Following this approach, the fatigue damage may be calculated as a function of a stress parameter Ω_p, which represents the cumulative effect of wave induced loads in the unit of time and incorporates the combined effects of stress level and its occurring frequency.

Simple formulas for Ω_p of oil tankers and container ships are given, obtained from the results of hydrodynamic analyses performed on several ships, in different wave environments.

Several examples show the applicability of the methods to real ship structures. The method, however, still needs to be calibrated because of the simplifying hypotheses introduced in the loading conditions.     

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

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.     

圆筒型FPSO上部模块支撑结构疲劳分析

与船型FPSO相比,圆筒型FPSO没有明显的总纵弯曲,上部模块与船体结构之间通常采用刚性支墩来连接,水平运动所产生的弯矩和装/卸载引起的船体垂向变形对模块支撑结构的影响较为显著。因此,以“希望6号”圆筒型FPSO上部模块支撑结构为研究对象,基于DNVGL船级社规范,介绍一种简化疲劳分析方法。以FPSO运动加速度和船体变形载荷作为载荷输入条件,利用SESAM/GeniE软件进行有限元分析,得到结构在所有组合工况下应力的扫描计算结果。根据作业海域各个方向波浪发生的概率,运用简化疲劳分析方法计算得到所关注节点的疲劳损伤和各个工况对结构节点疲劳损伤度的贡献。结果表明,所关注节点的疲劳强度均满足设计疲劳强度要求;同一节点的疲劳损伤对不同浪向的敏感度不一样。该简化疲劳分析方法同样适用于承受周期性载荷的FPSO上部模块主结构和其他型式海洋结构物的疲劳分析。     

水下爆炸气泡作用下船体总纵强度估算方法

水下爆炸中的气泡脉动载荷会造成舰船的鞭状运动,对其总纵强度产生很大威胁,是战争中造成船体总体毁伤与丧失生命力的主要原因之一。基于势流理论,推导并建立船体梁气泡弯矩的理论与计算方法,同时综合考虑气泡弯矩、船体静水弯矩、波浪弯矩及砰击弯矩等其他影响因素,建立一套完整的气泡作用下船体梁总纵强度估算方法。通过算例,校核典型工况下多种弯矩同时作用时船体梁的总纵强度。计算结果表明,气泡脉动载荷产生的总纵弯矩具有周期性鞭振特性,且数值大于其他弯矩。在评估舰船总纵强度与生命力时,应充分考虑气泡脉动载荷的影响。     

Hull-girder reliability of new generation oil tankers

A series of new generation oil tankers is presently under construction. These ships differ from traditional oil tankers by their unusual form and therefore direct hydrodynamic analysis is used to determine design vertical wave bending moments instead of adopting IACS rule values. The purpose of the paper is to quantify changes in hull-girder reliability resulting from the new design features. To achieve this, first-order reliability analysis is carried out with respect to ultimate collapse bending moment of the midship cross section of a new generation oil tanker and of a conventional “rule” designed oil tanker. The stochastic model of wave-induced bending moment is derived from direct hydrodynamic analysis performed according to IACS Recommendation No. 34 Standard Wave Data, Rev 1, 2000. The probability distribution of the still water bending moment is assumed based on the data from loading manuals. The model uncertainties of linear wave loads, non-linearity of the response as well as load combination factors are included in the reliability formulation. The reliability analysis is performed for three relevant loading conditions: full load, ballast and partial load and for two states of the hull: the “as-built” hull and “corroded” hull according to anticipated 20-year corrosion. One of the most interesting conclusions from the study is that the annual hull-girder reliability of new generation oil tanker is increased considerably compared to the conventional oil tanker. Sensitivity and parametric studies are performed with respect to random variables representing modelling uncertainties. The results of a sensitivity study enable sorting of pertinent variables according to their relative importance, while parametric study is used to quantify changes in the reliability indices for moderate variation of input parameters. Furthermore, some other results and discussions are presented pointing out the benefits of introducing the ship reliability methods in design practice, especially if this refers to new designs.     

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。     

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。     

液货晃荡对油船结构性能的影响研究

论文研究了液货晃荡对油船的结构响应影响研究.论文对比研究了考虑液货晃荡与忽略液货晃荡影响的油船结构强度,包括设计波参数对比,最大扭矩、最大垂向弯矩、最大水平弯矩控制参数对应工况下的结构应力分布特征对比.对比研究了考虑液货晃荡与忽略液货晃荡影响的油船疲劳强度,包括满载状态下的疲劳评估结果、疲劳损伤的浪向角分布结果对比.论文针对液货晃荡对油船结构响应影响提出的研究结论,对油船的结构设计及评估具有重要的研究意义.