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。     

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。     

一种考虑砰击载荷的双体船湿甲板疲劳强度的计算方法

提出一种实用的计算和分析方法来考虑砰击载荷对双体船湿甲板处结构疲劳强度的影响,保证疲劳寿命预报的精度。首先,根据线性理论计算船体与波浪之间的相对运动和相对速度,并计算船体结构在波浪载荷作用下的应力响应;然后,计算湿甲板在砰击载荷作用下的非线性响应,再将线性响应与非线性响应通过方向性进行叠加,得到波浪载荷与砰击载荷联合作用的应力响应时历;最后,通过雨流计数法计算双体船在危险工况下的湿甲板疲劳损伤。研究结果可为考虑砰击载荷的双体船湿甲板疲劳强度评估提供一些参考。     

规则波迎浪砰击下三维船体耦合响应研究

船舶在波浪中运动时会发生波浪砰击现象,可能会对船体局部结构产生破坏,造成人员和财产的损失.文中通过计算流体力学分析软件STAR-CCM+和有限单元分析软件Abaqus之间的双向交互耦合,建立了考虑结构变形效应的船体波浪砰击数值模型,对船体在波浪运动中的砰击现象进行数值模拟.将数值结果与文献中试验结果进行对比,整体趋势吻合较好,验证了数值模型的有效性.并针对不同工况下自由液面变化、砰击载荷分布特征和船模结构砰击响应进行分析,当船体在波浪冲击下,自由液面会出现波浪表面破碎等强非线性的砰击现象,同时船首底部及船尾底部会发生砰击现象并随之影响船体相应区域的应力和应变分布特性.     

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。     

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。     

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。     

船体在海浪中的弯矩

本文给出了在时域内计算船体波浪弯矩、外张砰击弯矩和底部砰击弯矩的一种方法。 其中波浪模型依所给海浪谱取为由许多不同频率和振幅的规则波按随机相位相加而成。 在确定外张砰击的载荷公式中,本文考虑了Smith修正。 本文采用把比较成熟的船舶运动计算和由越智和夫等人在底部砰击压力试验方面提供的资料相结合的方法来确定底部砰击载荷。 按上述方法对两艘不同船型作了计算,并分别与其试验值进行了比较,得出比较满意的结果。     

基于拟合波浪载荷船体梁总纵极限强度可靠性分析

船舶波浪弯矩在规则波中的频响函数以半解析的形式给出,同时考虑了实船非直舷及底部砰击因素的非线性影响.提出了波浪弯矩的非线性经验拟合表达式以及波浪中的统计分布特性,它能快速准确地预报波浪载荷极值.最后提出了针对船体梁总纵极限强度进行可靠性分析的方法,并给出实船算例.研究结果表明,给出的方法既适用于概念设计阶段对船舶结构的安全性评估,也满足对实船波浪载荷的快速预报及结构强度可靠性分析的要求.     

舰船在恶劣海况中非线性波浪载荷与上浪载荷研究（英文）

在恶劣海况中航行的舰船不仅会发生大幅的运动而且还会承受一些非线性波浪载荷,比如上浪与砰击载荷。这些高频的非线性波浪载荷的联合作用(尤其是砰击)会影响船体结构安全。为此,过去几十年里大量学者开展了相关的研究。本文介绍了在中国船舶科学研究中心耐波性水池开展的一条舰船模型的波浪载荷试验研究,研究测量了模型在多工况下的波浪载荷与上浪压力。其次,使用了二维非线性程序(NORS)基于势流理论并考虑非线性对该船在大波高中的波浪载荷开展了数值计算研究。NORS程序能够在时域内考虑瞬时湿表面变化、船体砰击上浪载荷,其计算精度在大量的工程计算中得到了验证。另外,基于试验结果与数值计算结果,分析研究了船体波浪载荷的频率特征、试验结果中上浪载荷变化的特征。本文研究结果可以对该舰船结构强度评估和结构设计起到支撑和指导作用。     

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。     

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。     

计及水-空气-结构耦合的结构砰击载荷预报方法研究

船舶在恶劣海况下航行时,船体与波浪之间会发生剧烈的砰击现象,严重时会造成船体局部结构损坏或降低船舶总纵强度。随着工业技术的革新和海洋资源开发的需要,当代船舶不断向高速化和大型化发展,船舶发生砰击现象的概率也越来越高。开展结构砰击特性研究,准确地预报结构物的砰击载荷,对船舶航行和人员安全有重要的意义。本文基于水动力学软件Fine/Marine,建立水域-空气域-结构耦合的分析模型,对楔形结构的砰击特性进行数值仿真分析,并研究不同斜升角及不同入水速度对砰击载荷的影响。     

计及水-空气-结构耦合的结构砰击载荷预报方法研究

船舶在恶劣海况下航行时,船体与波浪之间会发生剧烈的砰击现象,严重时会造成船体局部结构损坏或降低船舶总纵强度。随着工业技术的革新和海洋资源开发的需要,当代船舶不断向高速化和大型化发展,船舶发生砰击现象的概率也越来越高。开展结构砰击特性研究,准确地预报结构物的砰击载荷,对船舶航行和人员安全有重要的意义。本文基于水动力学软件 Fine/Marine,建立水域-空气域-结构耦合的分析模型,对楔形结构的砰击特性进行数值仿真分析,并研究不同斜升角及不同入水速度对砰击载荷的影响。     

双体船砰击载荷数值仿真分析

采用Sesam软件计算出船舶相对运动及砰击瞬时船舶与波浪之间的相对速度,采用FLUENT和MSC. DYTRAN软件计算出船体各点的砰击压力系数,最终计算出不同海况条件下各点的砰击压力,对双体船砰击载荷沿船长及高度方向的分布进行了分析,并讨论结构弹性效应对砰击载荷的影响。     

恶劣海况下船体波浪载荷的统计推断

介绍恶劣海况下船体波浪载荷(包括波浪和合成弯矩)统计推断的计算方法,并以某一高速排水型船舶作为算例进行计算。首先,按30 min短期海况估算该船的船舯波浪弯矩、砰击弯矩和合成弯矩统计特征值并与测量结果进行比较;其次按4 h海浪稳定假设,给出统计推断;最后,对巨浪海况完成算例船舶的波浪弯矩和合成弯矩的统计推断,并简要分析船体的总纵强度。     

基于CFD的风电安装船首部砰击载荷分析

以国内某艘风电安装船为研究对象,基于计算流体动力学（computational fluid dynamics, CFD）在规则波（斯托克斯五阶波）作用下,研究其首部砰击载荷随波浪参数的变化,依据波浪高度与波浪长度不同,设计了3组不同波高和5组不同波长,对15种计算工况进行分析。在船首位置取16个观测点,计算各点处的砰击载荷,对不同波浪参数下的砰击载荷进行研究。计算分析得到：风电安装船作业中,随波高增大,船舶首部砰击载荷也增大,随波长增长,砰击载荷呈先上升后下降的趋势,并且当波长等于船长时,砰击载荷峰值达到最大。船首砰击主要是由船舶在波浪中出水、入水所致,因为距水线面越近的观测点受到的砰击载荷越大,所以需要重点加强距水线面近的船首位置。文中所述方法可为后续风电安装船结构强度设计提供一些有益参考。     

扁平艉型砰击载荷试验研究及结构动态响应分析

针对扁平艉型船舶的艉砰击现象进行了分段模型试验。测量剖面上的垂向弯矩响应,通过频域变换获取砰击弯矩成分,并分析艉砰击对船体梁合成弯矩的影响。基于模型试验测得的砰击压力数据,结合数值仿真计算,获得的压力的时空分布和计算艉部结构在砰击载荷作用下的动态应力响应。研究方法对扁平艉型船舶艉砰击的安全评估具有借鉴意义。     

砰击对大型船舶波浪载荷的影响研究

随着船舶向大型化发展,各船级社规范提供的船舶波浪载荷计算公式并不能充分表征与其密切相关的因素。大型船舶一般具有超规范船长、大艏部外飘结构、较高航速等特点,容易导致舰船砰击现象的发生,它是船舶设计波浪载荷确定的重要因素。以某大型船舶为对象,依据CCS规范、GJB/Z119指导性技术文件、船体结构设计准则计算方法,用实例计算分析了船舶波浪设计载荷。利用模型试验的方法研究了大型船舶波浪载荷与砰击载荷组合特征的变化,分析了船舶外飘角和刚度变化对砰击载荷的影响。研究结果可为大型船舶波浪设计载荷的合理确定提供参考,也可为相关船舶波浪载荷标准规范的制修订提供借鉴。     

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.