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。     

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。     

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。     

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.     

恶劣海况下船舶砰击颤振响应特性数值计算与试验研究

[目的]针对恶劣海况下船舶所受砰击颤振响应现象,探究船舶非线性波浪载荷与瞬态高幅值砰击载荷的耦合作用。[方法]采用计算流体动力学与有限元方法（CFD-FEM）相结合的双向流固耦合方法对S175集装箱船进行数值仿真计算,并与试验结果及切片理论计算结果进行对比验证;采用分段变截面弹性龙骨梁模型开展船舶的砰击颤振特性模型试验,基于CFD-FEM双向流固耦合方法开展船艏砰击载荷及高频非线性砰击颤振响应特性分析,并与模型试验结果进行对比验证。[结果]结果显示,波浪砰击载荷对船艏颤振响应的影响不可忽视,6级海况下由砰击颤振诱发的二阶高频成分分量占低频波浪弯矩的59.86%。[结论]采用基于CFD-FEM的双向流固耦合方法可准确计算船首砰击颤振响应;在高海况下船舶所受非线性波浪载荷及结构动态响应易受船首瞬态砰击载荷的影响,在船舶结构设计与安全评估中需考虑高频砰击颤振的情况。     

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。     

超大型油船波激振动研究

本文论述了超大型船发生波激振动的机理及其实船测量和船模试验以及理论预报方法，还探讨了波激振动对超大型油船总纵强度及疲劳寿命的影响。     

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。     

考虑颤振效应的超大型集装箱船极限强度

砰击颤振会威胁船体的总纵强度,本文先依据海况对响应贡献率最大的原则确定计算海况,然后计算得到一艘超大型集装箱船的波浪载荷时历,并采用Weibull、Gumbel以及GEV(Generalized Extreme Value distribution)分布拟合得到载荷短期极值沿船长的分布且校核了目标船的极限强度。本文通过短期极值Weibull、Gumbel分布拟合的结果与载荷的规范计算结果对比,发现有必要在考虑砰击颤振效应下利用波浪载荷直接预报结果校核目标船结构强度。     

考虑颤振效应的超大型集装箱船极限强度

砰击颤振会威胁船体的总纵强度。依据海况对响应贡献率最大的原则确定计算海况,而后计算得出某超大型集装箱船的波浪载荷时历,并采用Weibull、Gumbel及GEV分布拟合得到载荷短期极值沿船长的分布且校核目标船的极限强度。将短期极值Weibull、Gumbel分布拟合的结果与载荷的规范计算结果进行对比,研究表明,有必要在考虑砰击颤振效应的工况下,利用波浪载荷直接预报结果校核目标船的结构强度,为后续研究提供参考。     

江海直达船鞭击振动分析

对江海直达船首部砰击引起的鞭击振动进行了仿真分析,采用瞬态动力学模态分析法,计算过程中考虑附连水的作用。分析参数有砰击压力峰值和连续砰击次数,对比分析仿真结果,得出不同压力峰值和连续砰击次数的影响规律。     

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。     

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。     

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。     

第七〇八研究所数值仿真分析信息链的建设

引言 中国船舶工业集团公司第七〇八研究所在民船开发方面．通过30万吨VLCC、30万吨FPSO、万箱级超大型集装箱船的开发,解决了大型船舶设计的核心关键技术,如利用CFD技术对超大型集装箱船、油船的水动力性能进行了数值预报和优化,在超大型集装箱船高效低激振螺旋桨设计技术、超大开口结构设计技术、船体非线性波浪载荷预报、全船结构强度及首部外飘结构砰击强度分析方法、基于全寿命周期安全性设计方法应用（结构晃荡、极限强度、疲劳强度、砰击、碰撞及振动进行了评估）．实现了经济、安全、环保的目标．并开展了国家重大专项LNG船的开发研究。     

第七○八研究所数值仿真分析信息链的建设

引言 中国船舶工业集团公司第七○八研究所在发船开发方面,通过30万吨VLCC、30万吨FPSO、万箱级超大型集装箱船的开发,解决了大型船舶设计的核心关键技术,如利用CFD技术对超大型集装箱船、油船的水动力性能进行了数值预报和优化,在超大型集装箱船高效低激振螺旋设计技术、超大开口结构设计技术、船体非线性波浪载荷预报、全船结构强度及首部外飘结构砰击强度分析方法、基于全寿命周期安全性设计方法应用(结构晃荡、极限强度、砰击、碰撞及振动进行了评估),实现了经济、安全、环保的目标,并开展了国家重大专项LNG船的开发研究.     

Ro-Ro船首门砰击载荷设计值的确定

本文结合非线性切片理论与Stavovy-Chuang砰击理论，给出了一种预报船舶艏部砰击压力的方法，并就某Ro-Ro船的水池模型试验结果与理论预报结果进行了比较。证实了方法的可靠性；结合砰击压力的作用特点，提出了Ro-Ro型船艏部砰击压力设计值的直接设计计算方法。并与有关国内外规范设计值进行了比较和分析，给出了可用于指导首门局部结构设计的设计压力值。