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。     

大型集装箱船快速波激响应分析

大型船舶的水弹性分析,对于船舶结构设计尤为重要。论文以某万箱级集装箱船为目标船型,采用三维结构分析与二维耐波性相结合的混合水弹性预报方法,进行快速波激振动响应分析。数值模拟采用MSC. Patran&Nastran有限元方法进行模态分析和基于MFS算法的STF切片法进行耐波性计算,并分别利用Bernoulli梁的解析解和HydroSTAR软件进行模型验证,最后基于模态叠加原理进行频域的波激响应预报。数值结果表明:该混合数值方法简化了网格划分耗时、提高了计算效率、满足了工程计算精度,具有较好的工程实用价值。     

大型船舶波激振动疲劳损伤模型试验与实船数据比较研究

为了对比船模试验与实船监测得到的船舶波激振动疲劳损伤结果,以40万吨级VLOC为对象,介绍了波激振动下疲劳损伤效应的船模试验和实船监测的评估流程,分析引起两者差异的影响要素,提出船模试验的修正方法,并将修正结果与实船监测数据进行比对分析。研究结果表明,波激振动疲劳损伤效应受浪向、航速与海况等因素的影响显著。试验结果通过合理的修正方法可以与实船监测数据吻合,验证了通过试验方法评估波激振动下疲劳损伤效应的可靠性。     

基于CFD-FEM方法的船舶水弹性计算

随着船舶尺度的增大,船体结构刚度变得越来越小,这意味着波浪激励频率和船体振动固有频率更加接近。准确地评估船体受到的波浪载荷及运动响应对船舶设计和安全性评估有重要意义。论文基于CFD-FEM耦合方法对一艘集装箱船建立水弹性模型并进行了数值计算。通过结构的升沉、纵摇,以及截面弯矩的数值计算和试验结果的比较,验证了该方法的准确性。与传统的势流水弹性方法相比,基于CFD-FEM方法能够充分考虑流场与结构相互作用过程中的非线性因素。对于一定的波长-船长比,当船体梁的固有频率较低时,波浪载荷的非线性强弱对船体梁垂向弯矩响应有较大的影响。     

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。     

船体结构的线性水弹性分析

讨论了近年来水弹性理论的典型模型,给出了三维水弹性分析的通用公式,并详细讨论了流固耦合的物面条件及其简化形式,分析了典型高速船的水弹性与准静态响应元间的差异。除较长船和较低海况外,一般可以忽略水弹性效应。在高海况时,水弹性会使响应特征值略微减小,准静态法结果偏于保守。     

基于模型试验与三维水弹性理论的船舶波激振动响应研究

船体波激振动使得船体结构中产生高频、持续和具有一定幅值的振动应力,可能引起结构发生严重的疲劳损伤,因而对船舶结构的安全性带来严峻的挑战。文章以一艘大型LNG船为研究对象,采用三维线性水弹性理论与水池模型试验方法对船舶波激振动响应进行了比较分析,研究了规则波与不规则波中的波激振动特性。改变该LNG船的刚度,并保持船型、重量分布等其它主船体特征不变,在模型试验和理论计算中探讨了刚度对波激振动的影响。通过两种刚度船体梁的模型试验与理论计算结果的比较分析,给出了波浪周期和船体刚度的变化对波激振动影响的几点结论。     

船体结构的线性水弹性分析

讨论了近年来水弹性理论的典型模型,给出了三维水弹性分析的通用公式,并详细讨论了流固耦合的物面条件及其简化形式,分析了典型高速船的水弹性与准静态响应元间的差异.除较长船和较低海况外,一般可以忽略水弹性效应.在高海况时,水弹性会使响应特征值略微减小,准静态法结果偏于保守.     

刚性水下跨接管设计中的疲劳损伤评估

疲劳分析作为深水跨接管设计中的一项重要内容,需要对各因素引起的疲劳损伤进行数值计算或合理预测,以验证其能否满足设计寿命的要求。本文总结了引起跨接管发生疲劳的几项主要原因与抑制或减缓损伤手段,分别对涡激振动与热循环两项对疲劳损伤率影响显著的诱发原因提出数值分析的方法。对分析中一些假设原则与简化方法做了具体描述。最后通过典型算例对分析、简化流程进行介绍。该项跨接管疲劳损伤的研究为工程设计提供了指导和参考,在我国发展中的水下系统产品领域具有实际应用价值。     

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。     

船体结构的线性水弹性分析

讨论了近年来水弹性理论的典型模型,给出了三维水弹性分析的通用公式,并详细讨论了流固耦合的物面条件及其简化形式,分析了典型高速船的水弹性与准静态响应元间的差异。除较长船和较低海况外,一般可以忽略水弹性效应。在高海况时,水弹性会使响应特征值略微减小,准静态法结果偏于保守。     

船体梁刚度对波激振动影响的比较研究

船舶大型化发展的趋势使得其尺度越来越大,而结构轻量化设计的需求则使高强度钢被大量应用于其结构设计之中,相对于传统的小尺度船舶,相对刚度的下降使得船体梁变得越来越“软”,这将导致大型船舶在波浪中航行时船体结构波激振动特性发生变化。采用模型试验和理论预报的方法,研究某大型工程船在不同船体梁刚度下的低频和高频垂向波浪载荷响应。分段试验模型采用2种横剖面惯性矩的钢质梁,用以分别模拟船舶横剖面原始的和变化后的刚度。采用三维水弹性理论对该船在波浪中的响应进行预报,并与模型试验结果进行比较。结果显示：小刚度的船体梁更易在波浪中发生波激振动;频繁的波激振动将导致结构发生严重的疲劳损伤问题。这种刚度变化对船体梁波激振动的影响规律表明,有必要将刚度作为大型船舶结构优化设计的重要参数之一。     

水弹性力学在SWATH船体结构振动响应分析中的应用研究

文章以三维水弹性力学理论为基础,对小水线面双体船的船体振动响应特性进行了分析,预报了该船体在航行时受发电机激励下的振动响应,并与实船测量结果进行了对比,结论表明三维水弹性力学方法在船体受机械激励作用下对于船体振动响应的预报是有效的,可应用于工程设计。     

考虑腐蚀磨损的锚链疲劳损伤评估方法

由于风浪流联合作用和海洋平台的周期性往复运动,系泊锚链受到交变循环载荷作用易发生疲劳破坏,同时系泊锚链遭受严重的腐蚀和链间磨损作用,其强度逐渐减弱,因此提出一种系泊锚链全生命期考虑腐蚀和磨损的疲劳损伤评估方法.首先,根据实际海况完成系泊锚链全生命期的损伤演变计算;然后,使用各损伤模型采用热点应力法计算得到热点处应力集中系数;最后,根据张力时程曲线和链间转角时程曲线,采用雨流计数法完成疲劳损伤评估.计算结果表明,腐蚀和磨损导致锚链疲劳损伤程度逐渐加剧.提出的评估方法具有优良的实用价值和工程意义.     

深水M型跨接管涡激振动疲劳损伤评估

针对涡激振动引发深水M型跨接管发生疲劳损伤的问题,考虑到M型跨接管非平直管道,弯管的引入对跨接管疲劳评估带来较大的困难,以南海某跨接管为例,通过ABAQUS软件进行跨接管模态分析,形成SHEAR7软件的模态输入文件,对跨接管分区使用SHEAR7软件分析跨接管的顺流涡激振动和横流涡激振动疲劳损伤.     

船体梁刚度对波激振动影响的比较研究

  目的  针对大型船舶波激振动效应下的疲劳损伤问题进行研究。  方法  通过船模试验方法,比较两代400 000 DWT超大型矿砂船（VLOC）疲劳损伤的试验结果,分析船体梁波激振动效应下海况与疲劳的关系。通过递推方法,研究系列模型下的典型海况影响。  结果  结果表明,波激振动对疲劳的放大效应与有义波高和遭遇周期存在趋势关系。通过归纳递推方法,提出“主导海况”的概念,对疲劳损伤放大因子公式进行了修正;波激振动程度随海况的变化明显,波激载荷对疲劳损伤的放大效果随遭遇频率和有义波高的减小而增大。  结论  以“主导海况”代替多典型海况,可以在较短时间内获取相对准确的疲劳损伤放大因子,这在船舶设计初期具有指导意义。     

基于船体梁的船体弹性变形预报方法

将船体简化成一根两端完全自由、质量和刚度沿船长方向分布不均匀的变截面梁,采用迁移矩阵法算出船体梁的固有频率和振形;将三维势流理论和结构动力学方程相结合,求出船体振动的主坐标,再利用模态叠加原理得到计算点的幅频位移响应;利用谱分析方法计算不同工况时的船体变形,并根据雷利分布得到其统计值。以某船为例,利用该方法计算船体相对变形,并对结果进行分析,得到了船体变形随着航速大小和浪向角改变的规律。     

船体非线性波浪载荷的水弹性分析

本文采用水弹性分析方法研究船舶在规则波及不规则波中迎浪航行时的结构动力响应（运动、剪力和弯矩等）。确定流体载荷时应用了扩展的切片理论，其中计及由于船体的非直舷、剖面吃水的瞬时变化和船体振荡的非简谐特性所导致的非线性，同时还考虑了波浪冲击、出水和上浪的影响。运动方程是在时域内步进求解。数值计算结果与规则波中的模型试验相比较，符合程度令人满意。     

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。     

考虑点腐蚀影响的船体板疲劳寿命评估

针对疲劳现象对点腐蚀极为敏感的问题,基于点腐蚀蚀坑处的应力集中系数,计算了含点腐蚀船体板单元的疲劳寿命。结果发现:对于半球形蚀坑,蚀坑处应力集中系数随蚀坑深度的增加而增大,两者基本上呈线性关系;当蚀坑深度为0,即无点腐蚀时,累积损伤度约为1,结构的疲劳寿命约等于设计寿命,这与客观事实是相符的,验证了基于应力集中系数计算结构疲劳寿命的合理性;当蚀坑深度仅为0. 2倍板厚时,含2种蚀坑的板单元疲劳寿命迅速减小到原寿命的47%、9%和23%;当蚀坑深度达到板厚时,板单元被蚀穿。这一结果说明结构的疲劳寿命随蚀坑深度的增大急剧减小,结构的疲劳寿命对点腐蚀极为敏感。