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。     

考虑波激振动的超大型船舶疲劳损伤计算

超大型船舶由于相对刚度较低,导致波激振动现象明显。常规的准静态谱分析法未考虑船体的弹性特征及与水动力载荷的耦合效应,无法求解考虑波激振动下的船舶疲劳损伤问题。针对上述问题,以应力模态叠加法为基础,来解决考虑波激振动影响时的船体疲劳强度评估问题,并以某超大型矿砂船为例进行疲劳计算,将结果与准静态谱分析法的结果进行对比分析。结果表明：计及波激振动效应,疲劳应力响应在高频段出现双峰甚至多峰现象,峰值点出现在遭遇频率接近船体固有频率时。波激振动效应使船体结构疲劳寿命大大降低,对于北大西洋海况,船舶在压载工况下的波激振动效应相较满载工况更明显。此方法对解决考虑波激振动下的船舶疲劳评估问题具有一定的参考意义。     

基于三维水弹性方法散货船运动与波浪载荷分析

采用三维有限元方法分析船体干结构在真空中的振动模态,结合模态叠加法和边界元法计算船体在流场中的水弹性主坐标响应,给出船体剖面载荷。讨论波激振动对船体结构疲劳损伤的影响,分析表明,大型船舶的弹性效应较为明显,在高频处容易发生波激振动现象,而波激振动加大了船体结构的疲劳损伤。     

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,波浪载荷对结构疲劳影响占主导地位,而主机诱导的激振载荷在基座盘面附近影响突出,达到疲劳总损伤值的50%,共振疲劳问题不容忽视。本文研究可以为船体直翼桨区域结构的疲劳设计提供参考。     

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。     

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。     

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     

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。     

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。     

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.     

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.     

Onboard monitoring of fatigue damage rates in the hull girder

Most new advanced ships have extensive data collection systems to be used for continuous monitoring of engine and hull performance, for voyage performance evaluation etc. Such systems could be expanded to include also procedures for stress monitoring and for decision support, where the most critical wave-induced ship extreme responses and fatigue damage accumulation can be estimated for hypothetical changes in ship course and speed in the automatically estimated wave environment.The aim of this paper is to outline a calculation procedure for fatigue damage rate prediction in hull girders taking into account whipping stresses. It is conceptually shown how such a method, which integrates onboard estimation of sea states, can be used to deduce decision support with respect to the accumulated fatigue damage in the hull girder.The paper firstly presents a set of measured full-scale wave-induced stress ranges in a container ship, where the associated fatigue damage rates calculated from a combination of the rain-flow counting method and the Palmgren-Miner damage rule are compared with damage predictions obtained from a computationally much faster frequency fatigue analysis using a spectral method. This analysis verifies the applied multi-modal spectral analysis procedure for fatigue estimation for cases where hull girder flexibility plays a role.To obtain an automated prediction method for the fatigue damage rates it is in the second part of the paper shown how a combination of the full-scale onboard acceleration and stress measurements can be used to calculate sea state parameters. These calculated environmental data are verified by a comparison to hindcast data.In the third part of the paper the full-scale fatigue stress ranges are compared to results from an analytical design oriented calculation procedure for flexible ship hulls in short-term estimated sea states.Altogether, it is conceptually shown that by a combination of the onboard estimated sea state parameters with the described analytical fatigue damage prediction procedure a method can be established for real-time onboard decision support which includes estimates of fatigue damage rates.     

舰船波浪弯矩响应的频率特性

非直壁式舰船在高浪级和高航速下的弯矩响应中,除了含有低频遭遇频率成分外,还存在着一定数量的遭遇频率的倍频成分及船体各谐调的垂向总振动频率成份,它们都会对舰船波浪弯矩的非线性响应产生相应的影响。如果舰船的第一谐调垂向总振动频率正好是遭遇频率的整数倍,这时弯矩的非线性响应将达到极值。本文从模型试验及理论计算两方面分析了舰船波浪弯矩的频率特性,对船体载荷响应理论的发展及设计载荷的确定具有指导意义。     

张力腿平台拉索的疲劳损伤

目前在分析张力腿平台(TLP)疲劳损伤时,通常限定平台只发生小位移,未考虑不利工况下平台发生有限位移的情况.在分析模型中考虑有限大位移后,会引入多种非线性因素,也会使TLP的动力响应明显不同于小位移情况,因此研究TLP有限位移下非线性波浪载荷引起的疲劳损伤十分重要.首先求得随机海浪作用下TLP拉索应力的时间历程曲线,并采用雨流法对其进行计数得到疲劳载荷谱;然后依据Miner累积损伤模型,求得TLP拉索在不利工况下的疲劳损伤;最后对ISSCTLP平台拉索在某海况下进行了疲劳损伤短期计算,并说明TLP拉索疲劳可靠度的计算方法.     

在非线性波浪载荷作用下计及多种应力组合时船体总纵弯曲累积损伤计算

在时域内计算计及非线性时的船体总纵弯曲应力,与船体局部弯曲应力迭加后,可得纵向构件中合成应力的时历.对该应力时历进行雨流计数,经统计分析获得应力范围的长期分布,进而算出船体总纵弯曲时纵向构件在多种应力成份组合下的疲劳损伤.为方便此时的计算,本文提出了基于等效规则波概念的简化方法.数例表明按严格方法与按简化方法所得的结果比较接近.     

随机海况下的船体结构疲劳裂纹扩展

传统的疲劳问题一般都是采用S—N曲线及Miner累计损伤理论进行的,文章在基于断裂力学的基础上,通过权函数法来计算应力沿裂纹面的非线性效应力强度因子,鉴于船舶在海洋环境中受到载荷的随机性,充分考虑加载次序、过载峰和应力比等对裂纹扩展的影响,给出了船舶结构疲劳裂纹在随机载荷下的扩展寿命的计算过程。     

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。     

大型船舶结构的疲劳强度校核方法

传统的船舶结构疲劳强度校核一般只考虑高周疲劳而忽略了低周疲劳。随着船舶结构向大型化发展以及最近海损事故的发生,低周疲劳问题引起了船舶行业的广泛关注。Urm等人于2004年对装卸载引起的油轮船体结构的低周疲劳问题进行了研究,并给出了计算方法,但具体的计算结果没有给出,许多问题没有解决,因此有必要对船舶结构低周疲劳的原因及校核方法进行深入的研究。针对这一问题,首先分析了引起船舶结构低周疲劳的原因;其次,对现有的S-N曲线外推得到低寿命区S-N曲线的可行性进行了分析,并将外推得到的低寿命区段曲线和经过试验验证的低周疲劳寿命曲线进行了比较;最后分析了波浪载荷等引起的小幅疲劳载荷以及满载和压载引起的大幅疲劳载荷导致的疲劳损伤的相互作用,从而提出了一种非线性累积计算模型。