基于一个二维水弹塑性方法和极限强度评估的集装箱船结构优化研究

海上极端波过去常常导致船舶结构的极限破坏,而船舶的极限崩溃涉及到船体结构的动态极限强度和结构非线性.该文通过二维的水弹塑性方法研究了集装箱船在极端波中的非线性动态强度,该方法考虑了船体的极限强度以及船体结构的非线性和波浪之间的耦合.并通过该二维水弹塑性方法和极限评估方法研究了船体结构的结构优化.文中还通过二次规划法(SQP)来优化基于非线性的动态强度的集装箱船体结构.最少的结构成本是本优化的目标函数,约束条件保证船体的强度要小于结构的极限强度,并且结构设计尺寸要满足规范的要求.随着设计波高的变化,这些优化的设计变量的变化趋势得以发现,一些研究的结论可用于船舶规范的参考.     

基于一个二维修正水弹性方法的集装箱船体梁动态前极限强度评估研究（英文）

海上极端波因其巨大的波高常常导致船体的极限破坏。该文提出了一个二维的修正水弹性方法来研究一个集装箱船船体梁在极端波中的动态前极限强度。传统的极限强度评估基于准静态方法,没有动态效应被考虑。而船体在波浪下的动态结构响应是基于水弹性方法,传统的水弹性方法并不能计算船体梁的动态非线性强度。该二维修正的水弹性方法考虑时域波浪和非线性船体梁之间的耦合,将水弹性方法和Smith方法结合,用Smith方法计算船体梁的刚度,而其刚度与船体梁的强度和变形曲率有关。所以该时域的非线性刚度被用于修改水弹性方法里的常数项的结构梁刚度。几组极端波模型被用以产生船体梁的大变形和非线性动态垂向弯矩。文中分别采用修正水弹性方法和普通水弹性方法,通过改变四个重要的极端波参数如极端波最大波高、规则波的波高、波速和波长等来研究其对船体梁船中处的大变形转角和非线性垂向弯矩的影响,通过采用修正的水弹性方法计算得来的结果与水弹性方法计算得来的结果相比较,得到了一些差异和结论。     

基于一个二维修正水弹性方法的集装箱船体梁动态前极限强度评估研究

海上极端波因其巨大的波高常常导致船体的极限破坏。该文提出了一个二维的修正水弹性方法来研究一个集装箱船船体梁在极端波中的动态前极限强度。传统的极限强度评估基于准静态方法,没有动态效应被考虑。而船体在波浪下的动态结构响应是基于水弹性方法,传统的水弹性方法并不能计算船体梁的动态非线性强度。该二维修正的水弹性方法考虑时域波浪和非线性船体梁之间的耦合,将水弹性方法和Smith方法结合,用Smith方法计算船体梁的刚度,而其刚度与船体梁的强度和变形曲率有关。所以该时域的非线性刚度被用于修改水弹性方法里的常数项的结构梁刚度。几组极端波模型被用以产生船体梁的大变形和非线性动态垂向弯矩。文中分别采用修正水弹性方法和普通水弹性方法,通过改变四个重要的极端波参数如极端波最大波高、规则波的波高、波速和波长等来研究其对船体梁船中处的大变形转角和非线性垂向弯矩的影响,通过采用修正的水弹性方法计算得来的结果与水弹性方法计算得来的结果相比较,得到了一些差异和结论。     

船体结构强度评估的非线性设计波法研究

介绍了一套基于非线性设计波法的船体结构强度评估方案,并以某深水多功能水下工程船为例:基于谱分析方法确定设计波参数;采用DNV船级社推出的Wasim这一基于Rankine源方法的时域线性/非线性船体运动与载荷预报程序,计算并获得船体在非线性设计波下的运动、载荷时历响应;采用Fortran编写接口程序,将Wasim计算得到的水动力网格上的水动压力信息,通过空间映射及插值,传递到Patran有限元网格上;采用MSC.Patran/Nasrtan这一船舶与海洋工程专业常用的有限元软件,计算获得非线性设计波下船体结构应力时历响应,可与线性设计波方法下的计算结果进行了比较。该研究验证了在船舶结构设计中考虑波浪载荷非线性影响的重要性,可为船体结构基于非线性设计波法的强度评估提供参考。     

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.     

船体梁在循环载荷下的极限强度研究

在船体极限强度的研究中,对船体到达极限强度后的剩余承载能力的研究非常重要,其关系到船体结构的生命力设计,用于判断船舶破损情况下是否还能保持一定的自存能力,制定救援方案以及作为船舶在极端情况下安全性的判断依据。目前此类研究多是针对单次加载,而在实际海洋环境中,船舶会受到交变载荷的作用,如果超过弹性范围,会留下塑性应变,这些残留应变会影响船舶最终承载能力的大小。本文以逐步崩溃法为基础,用Fortran语言开发了计算程序,该程序可以得到船体梁在极限强度后的承载能力,同时通过递增塑性法来模拟循环加载带来的影响,并采用非线性有限元法进行对比验证。     

船舶模型在波浪下的崩溃数值仿真及试验

大波浪因具有巨大波高而会造成船体结构崩溃失效,甚至断裂,准确预报船体结构在波浪下的非线性动态强度已成为船舶结构新的研究方向.提出一种结合三维势流理论和非线性有限元的数值仿真方法,预报船体结构在波浪下的非线性动态强度,三维势流理论用于计算波浪载荷,非线性有限元用于计算船体结构的弹塑性和屈曲变形.为验证数值仿真方法的准确性...     

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。     

超规范散货船船体结构总纵强度有限元分析

对"超规范船舶"总纵强度的校核,规范上的经验公式及常规计算方法已不再适用。以某超规范散货船为例,采用全船有限元分析方法,利用SESAM软件建立水动力模型进行波浪预报并导出设计波,利用MSC.PATRAN建立全船结构有限元模型并施加设计波载荷、货物载荷等对船体结构总纵弯曲强度进行了计算评估。计算结果表明结构应力在许用范围内,且该方法能够准确地反映船体结构的变形和应力分布情况。设计者可以针对高应力区域进行局部加强,这对"超规范船舶"船体结构设计及优化具有重要指导意义。     

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。     

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。     

大型集装箱船弹振和颤振研究

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。     

斜浪条件下大型集装箱船扭矩特征及结构强度研究

随着大型集装箱船的发展,斜浪条件下的扭矩载荷特性及其结构响应日益重要。以某大型集装箱船为研究对象,建立水动力湿表面计算模型和质量模型,研究基于扭矩传递函数和主要载荷控制参数的斜浪设计波参数确定方法,分析不同超越概率水平下扭矩计算值的规律。考虑典型斜浪参数和超越概率水平,分析水动力计算扭矩与船舶规范(ABS和HCSR)扭矩的差异及原因,提出集装箱船扭矩载荷计算与应用的建议。通过计算45°,60°和75°斜浪条件下的船体结构应力云图,识别斜浪作用下船体结构响应的关键位置,可作为大型集装箱船结构设计过程中船体梁扭转强度计算、舱口角隅设计、抗扭箱强度评估等的参考。     

大型集装箱船在斜浪工况下的扭矩特征研究及结构强度分析

随着大型集装箱船的发展,针对斜浪条件下扭矩载荷特性及其结构强度的分析研究日益重要.本文采用选定的某大型集装箱船开展动态载荷(DLA)分析,建立了水动力湿表面计算模型和质量模型,研究基于扭矩传递函数和主要载荷控制参数的斜浪设计波参数确定方法,分析超越概率水平对扭矩载荷计算结果的影响.考虑典型斜浪参数和超越概率水平,分析对比DLA扭矩与船舶规范(ABS和HCSR)扭矩的差异及原因,提出集装箱船扭矩载荷计算与应用的建议.在此基础上,选定3个斜浪计算工况(45°,60°和75°)开展结构强度分析,通过分析应力计算云图,研究扭矩载荷下船体结构响应的关键位置及其应力趋势.该研究可为大型集装箱船结构设计过程中船体梁扭转强度计算、舱口角隅设计、抗扭箱强度评估等方面提供有益的参考.     

10000箱大型集装箱船典型货舱结构极限强度

目前集装箱船的运力越来越大,在追逐高效设计的时候往往忽视了结构的安全可靠性,近10年里有多艘大型集装箱船发生了安全营运事故,甚至有2条在海上直接发生船体结构失效折断的恶性事件,据调查其在设计中低估了结构承载能力。为了保证大型集装箱船在营运中使用的安全性和航行时结构的可靠性,国际船级社协会专门组织部长级会议研讨提高载荷设计值,要求评估典型货舱结构的极限强度,修改集装箱船的规范要求,以此避免今后大型集装箱船再次遭遇严重事故。本文针对1艘10 000箱大型集装箱船的典型货舱结构,基于逐步破坏法和非线性有限元法,分别计算了垂向和水平方向的极限强度,以及垂向和水平联合作用下的极限强度。计算结果表明,在初步设计阶段评估大型集装箱船的货舱结构极限强度时,可以采用规范要求的逐步破坏法,但是考虑到海上波浪环境条件的恶劣性,以及集装箱船自身结构的特殊性,应该利用非线性有限元法进行直接计算。     

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.     

船体结构砰击总体载荷理论研究综述

船体结构遭受的波浪砰击载荷是一种强非线性的流体与结构之间的相互作用。砰击将导致船体主要按其两节点湿谐振频率发生振动,这种船体梁的总振动即为颤振。它往往引起船体结构的极限强度问题和疲劳损伤问题,这两种问题在船舶结构设计领域不可回避。从理论研究方面对船舶的砰击总体载荷进行综述,分析二维理论和三维理论在预报船体结构砰击总体载荷方面的优缺点。分析表明:虽然二维理论在该领域的应用已超过50年,但理论中基本假设和数学模型的局限性制约了其在肥大型船、多体船和海洋平台等领域的广泛应用;三维理论能突破二维理论的基本假设和数学模型的局限性,能在更加广泛的工程领域内得到应用。考虑外飘等非线性影响的三维时域水弹性理论能更加精确地预报砰击载荷,是船体结构砰击总体载荷理论研究的重要发展方向之一。     

船体结构极限强度模型试验技术研究

船舶结构的极限承载能力是反映船舶结构安全可靠的重要指标,历来受到船舶工程界的广泛关注;而模型试验技术对船体梁极限承载能力研究拥有重要的意义.本文首先对船体极限强度相似模型设计进行研究,提出了稳定性相似模型补偿的设计方法;接着结合多例经典船体梁缩比模型试验与非线性有限元数值仿真计算结果相结合的对船体梁极限承载能力进行预报的案例,分别从相似准则、弯扭组合极限强度、弯剪极限强度等几个不同的侧重点分别对各个案例进行了详细的总结分析;最后列举了本研究组曾开展的其他若干经典极限强度模型试验.为今后船体梁极限承载能力模型试验研究提供了参考.     

三种船型结构的极限强度分析比较

理想化结构单元法(ISUM)是一种对大型结构物进行非线性分析的有效数值方法。本文采用Paik基于ISUM开发的用于解决大型结构极限强度问题的计算程序ALPS／ISUM，对油船、散货船和集装箱船进行了一系列的极限强度分析。从分析结果可知，这三种船舶的两个基本参数船长和载重量与极限强度值有着比较密切的关系。极限强度值随着这两个参数值的增加而增加。而且船长相同时，油船的极限强度最大，集装箱船的极限强度最小。对于大中型船舶，载重量与极限强度基本保持线性关系。油船和散货船极限强度的增长趋势基本相同。而集装箱船增长趋势明显大于油船和散货船。本文还计算了主要影响参数如屈服应力、杨氏模量、初始变形、焊接残余应力以及平均板厚等的变化对极限强度的影响，探讨了这三种船舶的总纵弯曲极限强度对这些参数的灵敏度，为船体结构的设计根供科举依据。