139m甲板運(yùn)輸船波浪載荷計(jì)算【畢業(yè)設(shè)計(jì)】

1、<p>　　本科畢業(yè)論文(設(shè)計(jì))</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　摘 要1</b></p><p>　　[Abstract]2</p><p><b>　　第一章緒論3</b></p><

2、p><b>　　1.1前言3</b></p><p><b>　　1.2概述4</b></p><p>　　1.3 SESAM軟件的簡(jiǎn)介說(shuō)明5</p><p>　　1.4 課題研究背景及內(nèi)容6</p><p>　　1.5 本文主要研究?jī)?nèi)容7</p><p>　

3、　第二章波浪理論8</p><p><b>　　2.1概 述8</b></p><p>　　2.2 基本方程及邊界條件8</p><p>　　2.3 線性波浪理論10</p><p>　　2.4 隨機(jī)波浪理論11</p><p>　　2.5波浪理論計(jì)算方法12</p>

4、<p>　　第三章甲板運(yùn)輸船在波浪中的運(yùn)動(dòng)和波浪載荷的計(jì)算14</p><p>　　3.1船舶在波浪上的運(yùn)動(dòng)理論基礎(chǔ)14</p><p>　　3.2 波浪載荷研究理論15</p><p>　　3.3船舶參數(shù)資料16</p><p>　　3.4 船舶在規(guī)則波中的運(yùn)動(dòng)與載荷分析計(jì)算17</p><p&

5、gt;　　3.5計(jì)算條件17</p><p>　　第四章全船濕表面模型的建立18</p><p>　　4.1甲板運(yùn)輸船船體外表面模型的建立18</p><p>　　4.2質(zhì)量模型19</p><p>　　4.3 水動(dòng)力計(jì)算22</p><p>　　4.4本章小結(jié)26</p><p>

6、;　　第五章數(shù)據(jù)結(jié)果分析27</p><p>　　5.1同一種工況在不同浪向角情況下的波浪載荷27</p><p>　　5.2同一浪向角時(shí)不同工況的波浪載荷31</p><p><b>　　總 結(jié)40</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)41</b></p><

7、;p><b>　　致謝42</b></p><p>　　附錄一 垂向波浪剪力和垂向波浪彎矩?cái)?shù)值分布表43</p><p>　　附錄二 波浪扭矩?cái)?shù)值分布表51</p><p>　　139m甲板運(yùn)輸船波浪載荷計(jì)算</p><p><b>　　摘 要</b></p><

8、p>　　在船舶航行中，船舶波浪載荷是對(duì)船舶的航行速度起一定影響的，如果能夠精確的計(jì)算出船舶在不同工況下的船舶載荷情況，不同剖面和浪向?qū)Υ瓜蚣袅Φ挠绊懬闆r，就能為船舶的設(shè)計(jì)等提供很大的幫助。本文應(yīng)用三維勢(shì)流理論計(jì)算139m甲板運(yùn)輸船波浪誘導(dǎo)載荷，該甲板運(yùn)輸船的L/B=4.34、B/D=4，超出了波浪載荷經(jīng)驗(yàn)公式的規(guī)范要求。使用挪威船級(jí)社SESAM軟件HYDRO程序利用POSTRESP輸出各橫截面的波浪誘導(dǎo)垂向剪力、垂向彎矩長(zhǎng)期預(yù)報(bào)值

9、。文中詳細(xì)闡述了進(jìn)行整船水動(dòng)力分析的過(guò)程及方法。包括建立濕表面模型和質(zhì)量模型，進(jìn)行了四種裝載工況下波浪載荷預(yù)報(bào)，提出了波浪入射角、裝載狀態(tài)對(duì)于波浪誘導(dǎo)剪力、波浪誘導(dǎo)彎矩、船體運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的影響。</p><p>　　[關(guān)鍵詞]甲板運(yùn)輸船；波浪載荷；SESAM；剪力；彎矩</p><p>　　139MBARGE CARRIER WAVE LOAD CALCULATION</p>&

10、lt;p>　　[Abstract] Sailing ship, the ship wave loads on ships sailing from a certain impact velocity, if we can calculate the precise ship ships at different load conditions, the different profiles and wave to the vert

11、ical shear of the the impact of the situation, the design of the ship will be able to provide a great help.The potential theory is used to calculate the wave-induced loads of 139mbarge carrier. The ship’s general scale r

12、atio is out of Specifications of the empirical formula of wave loads w</p><p>　　[Key words]Deck-cargo ship; Wave loads; SESAM; shear force; bending moment</p><p><b>　　緒論</b></p>

13、;<p><b>　　1.1前言</b></p><p>　　隨著人全球人口的增加，人類對(duì)石油的需求量逐漸增長(zhǎng)，使人類的生存空間逐漸向海洋與空中拓展。海洋蘊(yùn)藏著豐富的礦產(chǎn)和生活資源可供人類使用，包括石油資源、礦產(chǎn)資源、化工資源、食品資源等，海洋是二十一世紀(jì)人類發(fā)展必須要深入開發(fā)的領(lǐng)域。</p><p>　　船舶這一水上工具是人們深入海洋所不可或缺的工具，

14、如何很好的估算船舶波浪載荷解決船舶疲勞問(wèn)題是船舶設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中所不可或缺的一部分。在給定了船舶型值的前提下，只有確定了波浪載荷，并結(jié)合船舶實(shí)際運(yùn)營(yíng)時(shí)的內(nèi)部載荷，才能設(shè)計(jì)出滿足一定結(jié)構(gòu)強(qiáng)度而又經(jīng)濟(jì)實(shí)用的船體結(jié)構(gòu)。船舶在海上的運(yùn)動(dòng)是六個(gè)自由度的剛體運(yùn)動(dòng):縱蕩、橫蕩、垂蕩、縱搖、橫搖和首搖的組合。在這些運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，船舶波浪載荷將以垂向、橫向的剪力(彎矩)以及扭矩的形式作用于船體。在船舶的結(jié)構(gòu)分析中，首先應(yīng)確定船體的靜水和波浪誘導(dǎo)載荷。船體在其運(yùn)營(yíng)

15、期中承受這兩種載荷，將可能導(dǎo)致疲勞及破損，這是船舶設(shè)計(jì)所關(guān)心的問(wèn)題[2][3]。</p><p>　　大量的船模試驗(yàn)和實(shí)船測(cè)量結(jié)果表明，船在大幅波浪中的波浪載荷呈現(xiàn)明顯的非線性特性。自70年代末期以來(lái)，國(guó)外學(xué)者采用“高階理論”或“時(shí)歷模擬”方法，從事非線性波浪載荷的理論研究。近些年國(guó)內(nèi)也相繼開展了這方面的研究工作，并取得了一定的進(jìn)展。然而實(shí)際問(wèn)題是非常復(fù)雜的，該領(lǐng)域內(nèi)至今仍有許多問(wèn)題有待進(jìn)一步的探討和解決。在實(shí)際

16、海況中，船舶航行受到很多因素的影響，嚴(yán)重的搖蕩不僅會(huì)降低船舶的運(yùn)營(yíng)效率，甚至?xí)斐山Y(jié)構(gòu)毀損或傾覆失事。研究船在波浪中的運(yùn)動(dòng)，為設(shè)計(jì)耐波性好的船舶提供可靠的依據(jù)。船舶耐波性中的適居性、實(shí)際使用性、生命力的三個(gè)指標(biāo)中，如下指標(biāo)是設(shè)計(jì)者需要考慮和關(guān)心的：六個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)速度平均值與特征值、加速度特征值、運(yùn)動(dòng)速度和加速度的極值、甲板淹濕、船體相當(dāng)梁彎矩、砰擊和砰擊負(fù)荷、局部波浪負(fù)荷、波浪誘導(dǎo)振動(dòng)、船體撓度、所需功率的增加、螺旋槳空轉(zhuǎn)和尾軸負(fù)荷以

17、及航向穩(wěn)定性，上述指標(biāo)的影響因素非常大，而且每一項(xiàng)都有其專門的技術(shù)與理論，確定這些因素的臨界狀態(tài)必須研究船舶與海浪的相互影響，也就是說(shuō)，必須對(duì)船舶在波浪上的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行研究 [6][10] 。</p><p>　　目前，已有許多應(yīng)用三維方法對(duì)船舶運(yùn)動(dòng)和波浪載荷預(yù)報(bào)的商業(yè)軟件。如挪威船級(jí)社(DNV)開發(fā)的SESAM(船舶強(qiáng)度計(jì)算系統(tǒng))，其中WADAM模塊和WASIM模塊主要進(jìn)行水動(dòng)力計(jì)算，WADAM是基于三維頻率的

18、船舶運(yùn)動(dòng)和波浪載荷預(yù)報(bào)模塊，主要解決零航速浮體的波浪載荷預(yù)報(bào)。</p><p>　　做好以上工作對(duì)做好船舶設(shè)計(jì)工作，設(shè)計(jì)出符合規(guī)范要求的船舶至關(guān)重要。</p><p><b>　　1.2概述</b></p><p>　　船舶工業(yè)是集一個(gè)國(guó)家諸多基礎(chǔ)工業(yè)于一體、技術(shù)和勞動(dòng)密集型的產(chǎn)業(yè)。一個(gè)國(guó)家的船舶工業(yè)發(fā)展程度體現(xiàn)了該國(guó)的基礎(chǔ)工業(yè)水平。我國(guó)幅員遼

19、闊，江河湖泊眾多，海岸線漫長(zhǎng)，擁有極其豐富的水運(yùn)資源，這為發(fā)展我國(guó)船舶工業(yè)提供了有利條件。</p><p>　　隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)持續(xù)高速增長(zhǎng)，人民生活水平不斷提高，旅游事業(yè)蓬勃發(fā)展，對(duì)水運(yùn)的要求也日益提高。一方面出現(xiàn)了如大中型集裝箱船、無(wú)艙蓋集裝箱船、巨型油船、自卸船、化學(xué)品船、液化氣船、粉粒狀散貨船和旅游船等高技術(shù)、高附加值的新型船舶;另一方面，在常規(guī)的散貨船、油船及雜貨船領(lǐng)域，也需要不斷開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)船型、節(jié)能船型和經(jīng)

20、濟(jì)船型等先進(jìn)船型。</p><p>　　運(yùn)輸船舶應(yīng)能在水上安全航行，并擔(dān)負(fù)載運(yùn)旅客和貨物的任務(wù)，必須具有以下性能：①在滿載旅客、貨物后能漂浮于水面并保有一定儲(chǔ)備浮力的浮性;②在風(fēng)力或其他外力作用下不傾覆的穩(wěn)性;③因碰撞、擱淺或發(fā)生其他海損而局部進(jìn)水時(shí)仍能漂浮于水面而不沉沒(méi)的抗沉性；④能按照駕駛?cè)藛T的意圖改變或保持船舶航向和速度的操縱性；⑤在一定主機(jī)功率的推動(dòng)下能以較快速度前進(jìn)的快速性；⑥遇到風(fēng)浪，仍能以一定速度平

21、穩(wěn)航行的耐波性。</p><p>　　船舶類型、尺度和建造方法的重大變化導(dǎo)致船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理的重大變革。因此，需要一個(gè)科學(xué)的、強(qiáng)有力的和通用的船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法以滿足當(dāng)前對(duì)船舶的可靠性、運(yùn)營(yíng)效率和經(jīng)濟(jì)性的更高要求?；谶@些原因，出現(xiàn)了采用“理性”結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一般趨勢(shì)。</p><p>　　“理性”結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可定義如”:直接地和完全地基于結(jié)構(gòu)理論以及采用以計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)分析和優(yōu)化方法，并按照設(shè)

22、計(jì)者選定的價(jià)值衡量標(biāo)準(zhǔn)，獲得一個(gè)最優(yōu)的結(jié)構(gòu)。從這個(gè)定義可以看出，“理性”結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)包括對(duì)結(jié)構(gòu)在壽命期中影響結(jié)構(gòu)安全與性能的全部因素。</p><p>　　進(jìn)行徹底的和精確的分析，并且結(jié)合結(jié)構(gòu)要求要達(dá)到的目標(biāo)綜合這些信息，設(shè)計(jì)出既保證足夠安全又達(dá)到最優(yōu)目標(biāo)的設(shè)計(jì)。同時(shí)，我們也應(yīng)注意到這種設(shè)計(jì)方法對(duì)外載荷計(jì)算、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算以及強(qiáng)度衡準(zhǔn)提出了更高的要求。船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理的上述變革促進(jìn)了對(duì)波浪載荷計(jì)算方法、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算方法

23、以及結(jié)構(gòu)可靠性方法的研究。</p><p>　　目前，結(jié)構(gòu)可靠性分析方法已經(jīng)發(fā)展成熟，許多學(xué)者采用可靠性方法開展船體梁極限強(qiáng)度計(jì)算、疲勞強(qiáng)度計(jì)算方面的研究工作。結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算方面，隨著計(jì)算機(jī)軟件、硬件能力的不斷發(fā)展，艙段有限元分析、整船有限元分析方法逐漸替代了梁理論。</p><p>　　結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算方法的不斷進(jìn)步使其對(duì)外載荷計(jì)算提出了更高的要求。當(dāng)采用梁?jiǎn)卧碚撛u(píng)估船體強(qiáng)度時(shí)，船體橫剖面上

24、的剪力和彎矩是結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核的主要載荷，水動(dòng)壓力僅在局部結(jié)構(gòu)的疲勞和極限強(qiáng)度設(shè)計(jì)中使用，而在船體結(jié)構(gòu)直接設(shè)計(jì)計(jì)算中，整船有限元分析使水動(dòng)壓力成為與船舶運(yùn)動(dòng)、剪力、彎矩同等重要的設(shè)計(jì)參數(shù)。因此，在作用于船舶上的所有基本載荷中，船體表面波浪壓力和波浪誘導(dǎo)的剖面剪力彎矩是在強(qiáng)度計(jì)算中要考慮的最重要的外載荷?；诖?，尋求合理而實(shí)用的船舶運(yùn)動(dòng)、波浪載荷和水動(dòng)壓力預(yù)報(bào)方法對(duì)船舶工程的發(fā)展具有重要意義。</p><p>　　在早

25、期的船舶非線性運(yùn)動(dòng)和波浪載荷研究中，僅考慮入射波浪對(duì)船體的干擾作用，不考慮船體對(duì)流體的影響。接著人們開始致力于船舶搖蕩流體理論建立，試圖通過(guò)速度勢(shì)線性邊值的問(wèn)題的建立與求解，將船舶的存在與運(yùn)動(dòng)對(duì)入射波流場(chǎng)的流體影響考慮進(jìn)去，進(jìn)而可以更加合理地描述船舶運(yùn)動(dòng)所受阻力。Hasking提出在線性理論范圍內(nèi)將流場(chǎng)中的擾動(dòng)速度分解成繞射速度勢(shì)和輻射速度勢(shì)，兩者的線性迭加即為中總的擾動(dòng)勢(shì)。實(shí)際海浪中船舶運(yùn)動(dòng)有復(fù)雜的非線性現(xiàn)象，特別是惡劣海況下船舶運(yùn)動(dòng)

26、幅度較大，由于甲板上浪，外部碰擊和底部碰擊等因素的影響，導(dǎo)致波浪載荷、船舶阻力呈現(xiàn)明顯的非線性?；谝陨蠋c(diǎn)因素，采用三維式域方法對(duì)大幅波浪中船舶的波浪載荷應(yīng)力與非線性進(jìn)行研究，為船波浪預(yù)報(bào)進(jìn)行探索打下理論基礎(chǔ)。波浪誘導(dǎo)載荷與運(yùn)動(dòng)的短期和長(zhǎng)期預(yù)報(bào)基本理論一般情況下，海面上的波浪不會(huì)是規(guī)則波，它通常呈現(xiàn)為隨機(jī)的不規(guī)則波，所以應(yīng)該采用概率和隨機(jī)理論的方法來(lái)計(jì)算波浪誘導(dǎo)船體運(yùn)動(dòng)及載荷.波浪誘導(dǎo)船體運(yùn)動(dòng)與載荷的短期和長(zhǎng)期預(yù)報(bào)是建立在以下三個(gè)基本

27、假設(shè)之上的：認(rèn)為波浪和船體運(yùn)動(dòng)是各態(tài)歷經(jīng)的平穩(wěn)隨機(jī)過(guò)程；設(shè)船舶為時(shí)間恒定的線性系統(tǒng)；設(shè)風(fēng)浪譜和船舶響應(yīng)譜為窄帶譜[7</p><p>　　1.3 SESAM軟件的簡(jiǎn)介說(shuō)明</p><p>　　SESAM 是挪威船級(jí)社(DNV)開發(fā)的大型軟件系統(tǒng)，用于船舶及海洋工程的結(jié)構(gòu)和流體動(dòng)力分析、設(shè)計(jì)，其發(fā)展基礎(chǔ)正是有限元法在船舶及近海領(lǐng)域中的廣泛應(yīng)用。本課題使用該軟件分析計(jì)算平臺(tái)結(jié)構(gòu)三維有限元模型在

28、自身載荷和環(huán)境載荷作用下的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)。SESAM 是世界造船領(lǐng)域一致認(rèn)可的大型結(jié)構(gòu)有限元分析軟件，可以解決船體平臺(tái)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度剛度及結(jié)構(gòu)優(yōu)化等問(wèn)題，通過(guò)有限元分析確保各個(gè)零部件及分析系統(tǒng)在最合理的環(huán)境下正常地工作以獲得最佳性能。</p><p>　　SESAM 的顯著特點(diǎn)是功能模塊化。不同的子程序模塊分別完成模型建立、環(huán)境載荷分析、結(jié)構(gòu)分析、結(jié)果處理等功能。 SESAM 中的模塊主要有預(yù)處理模塊Patran-Pre,

29、 Prefem, Preframe, Prese1和Proban:環(huán)境分析模塊Wadam,Wajac, Waveship, Wasim, Installjac 和 Simo;結(jié)構(gòu)分析模塊 Sestra, Splice, Usfos,Mimosa和 Riflea，計(jì)算后處理模塊 Postresp, Xtract, Framework, Stofat, Profast,Cutres. Platework和 Comcode。這些不同的模塊整合

30、成三個(gè)軟件包，即建模前處理模塊 GeniE，水動(dòng)力模塊 HydroD 和系泊耦合分析模塊 DeepC。</p><p>　　SESAM 的特點(diǎn)可綜合如下：1)結(jié)構(gòu)分析程序基于有限元方法，可解決多種結(jié)構(gòu)類型，多種載荷類型的應(yīng)力問(wèn)題。獨(dú)特的多層次超單元技術(shù)大大提高了程序效率。2)交互式圖形后處理器不僅可以提供各種數(shù)據(jù)結(jié)果的圖形而且，提供了用于最后評(píng)估和設(shè)計(jì)的程序。3)流體動(dòng)力分析程序中環(huán)境載荷及固定式漂浮物體的剛體響

31、應(yīng)計(jì)算基于 Morison公式和勢(shì)流理論。4)不同模塊間的數(shù)據(jù)自動(dòng)傳送是通過(guò) SESAM 界面文件實(shí)現(xiàn)的，這些界面文件包含有限元模型數(shù)據(jù)、環(huán)境載荷結(jié)果、程序結(jié)果數(shù)據(jù)、載荷剛體位移總外力等結(jié)構(gòu)響應(yīng)應(yīng)力和位移等[3]。</p><p>　　1.4 課題研究背景及內(nèi)容</p><p>　　1.4.1 研究背景</p><p>　　傳統(tǒng)的船體結(jié)構(gòu)分析分為兩部分，一是全船總縱

32、強(qiáng)度的簡(jiǎn)化分析，二是船體局部強(qiáng)度分析。在總強(qiáng)度分析中，將船體簡(jiǎn)化為一根等效梁，復(fù)雜的船體變成一條一維尺度的直線，而載荷也全部集中到這條代表剖面縱軸的直線上，為得到強(qiáng)力構(gòu)件的內(nèi)力，采用了應(yīng)力合成的方法，即將構(gòu)件的內(nèi)力分為總彎曲應(yīng)力和板架彎曲應(yīng)力，分別計(jì)算后再進(jìn)行合成。然而，實(shí)際的船體結(jié)構(gòu)是一個(gè)很復(fù)雜的三維箱形結(jié)構(gòu)，其受力是相當(dāng)復(fù)雜的，特別是波浪載荷的不確定性，因此，人為地將其分開計(jì)算對(duì)集裝箱船會(huì)帶來(lái)較大的誤差。</p>&l

33、t;p>　　因此，對(duì)于甲板運(yùn)輸船，由于其自身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，不能把船體當(dāng)作一根等值梁來(lái)計(jì)算其總強(qiáng)度，于是需要有一種能夠考慮非等值結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)響應(yīng)的更加精確的船體梁分析方法來(lái)計(jì)算船舶波浪載荷，目前，國(guó)內(nèi)外主要發(fā)展以薄壁梁理論為基礎(chǔ)的有限梁方法。薄壁梁理論在前期設(shè)計(jì)階段可以起到一定的作用，但是，對(duì)于波浪載荷，薄壁梁理論采用確定性的方法；而波浪載荷是隨機(jī)性的，因此這些由薄壁梁理論所得到的結(jié)果有很大的局限性，不能對(duì)船體的各個(gè)部分給出較詳細(xì)和準(zhǔn)確的

34、應(yīng)力分布，往往有較大的誤差。</p><p>　　隨著計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)的發(fā)展，使得全船有限元分析技術(shù)使船體總強(qiáng)度分析有了革命性的突破。全船有限元分析法將全船各主要構(gòu)件按其受力狀況分別以膜、殼、梁、析條等單元來(lái)表示，可以較真實(shí)地表達(dá)出全船結(jié)構(gòu)的剛度特性，通過(guò)有限元分析求解，可以求出各主要構(gòu)件的實(shí)際變形與應(yīng)力。采用全船有限元分析法和波浪載荷的直接計(jì)算可以進(jìn)一步提高計(jì)算結(jié)果的可靠程度。</p><p

35、>　　1.4.2 研究?jī)?nèi)容</p><p>　　本文主要應(yīng)用Patran軟件建立全船濕表面模型，并運(yùn)用挪威船級(jí)社(DNV)的SESAM (Super Element Structure Analysis Modules)軟件系統(tǒng)進(jìn)行全船彎扭強(qiáng)度分析，對(duì)其進(jìn)行了包括波浪統(tǒng)計(jì)預(yù)報(bào)，確定設(shè)計(jì)波，計(jì)算船體應(yīng)力分布等分析。</p><p><b>　　主要內(nèi)容有：</b>

36、</p><p>　　(1)整理139m甲板運(yùn)輸船的圖紙和資料，分析其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，利用patran建立全船模型，包括幾何模型、有限元模型，利用SESAM建立流體動(dòng)力計(jì)算模型和質(zhì)量模型，然后將全船模型導(dǎo)入HYDROD中。</p><p>　　(2)利用挪威船級(jí)社(DNV)的SESAM軟件系統(tǒng)的波浪載荷分析與響應(yīng)計(jì)算子模塊WADAM，計(jì)算全船在一系列規(guī)則波上的流體動(dòng)力載荷，包括動(dòng)壓力在濕表面上的

37、分布及其對(duì)指定截面的積分，形成載荷傳遞函數(shù)。</p><p>　　(3)根據(jù)規(guī)范和指導(dǎo)性文件，利用上面得出的傳遞函數(shù)，以及挪威船級(jí)社(DNV)的SESAM軟件系統(tǒng)的進(jìn)行計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)處理的交互式圖形后處理器POSTRESP，對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)處理和預(yù)報(bào)。通過(guò)長(zhǎng)期預(yù)報(bào)，確定設(shè)計(jì)波。</p><p>　　(4)利用挪威船級(jí)社(DNV)的SESAM軟件系統(tǒng)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換處理器PREPOST和有限元分析

38、圖形處理器，對(duì)其結(jié)果以圖形方式顯示出來(lái)，分析全船或局部有限元模型及其應(yīng)力分布狀況。</p><p><b>　　1.5 船型及方法</b></p><p>　　甲板運(yùn)輸船是能運(yùn)輸雜貨、散貨、集裝箱、重大件貨及滾裝貨。這種船型的出現(xiàn)背景是由于世界貿(mào)易情況捉摸不定， 海運(yùn)形勢(shì)動(dòng)蕩多變， 為此需要一種能載運(yùn)“不確定性”貨物的船型，以擴(kuò)大船的使用范圍，適應(yīng)不斷變化的形勢(shì)。這些

39、要求歸納起來(lái)就是： 能適應(yīng)多種航線， 盡可能高效率地載運(yùn)各種貨物， 使用簡(jiǎn)便，造價(jià)低廉。</p><p>　　甲板運(yùn)輸船能載運(yùn)各種貨物，但有時(shí)亦有側(cè)重，有以載運(yùn)集裝箱為主，有以載運(yùn)重大件貨(或特長(zhǎng)件貨) 為主，也有以載運(yùn)雜貨為主。但載運(yùn)以重大件貨或雜貨為主的船型，是一種布置地位型船舶， 即其主尺度主要取決于船內(nèi)部容積以及甲板布置所需面積的要求。</p><p>　　本文使用 SESAM/W

40、ADAM軟件為甲板運(yùn)輸船直接結(jié)構(gòu)計(jì)算作了大量準(zhǔn)備工作。該軟件由挪威船級(jí)社(DNV)開發(fā)，是一套比較先進(jìn)而且使用簡(jiǎn)便的分析軟件，主要進(jìn)行水動(dòng)力計(jì)算，它可以對(duì)各種船型、船速進(jìn)行計(jì)算和預(yù)報(bào)。主要計(jì)算功能包括：</p><p>　　1、總體響應(yīng)：剛體運(yùn)動(dòng)、剖面力和力矩。</p><p>　　2、船體壓力：指定點(diǎn)壓力、全船的總壓力分布。</p><p>　　3、外載荷自動(dòng)轉(zhuǎn)換

41、為有限元進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析：線性分析中的頻域載荷、非線性分析中的載荷時(shí)歷。</p><p>　　采用SESEAM軟件計(jì)算甲板運(yùn)輸船的波浪載荷預(yù)報(bào)，最重要的工作就是怎樣正確無(wú)誤的采用patran建立甲板運(yùn)輸船的有限元模型，并且要進(jìn)行波浪載荷的加載，這也是軟件分析中的最主要的工作。為了做好這個(gè)工作，首先我要通過(guò)學(xué)習(xí)有關(guān)資料進(jìn)一步掌握有關(guān)載荷預(yù)報(bào)的原理以及熟悉SESEAM和patran有限元分析軟件，然后建立船體外殼的有限元

42、模型，進(jìn)而進(jìn)行船體的水動(dòng)力計(jì)算，并和規(guī)范算出的結(jié)果做對(duì)比，最后進(jìn)行結(jié)果分析。另外，整個(gè)過(guò)程還需要進(jìn)行完善。</p><p>　　第一階段：學(xué)習(xí)和消化使用patran和WADAM軟件的基礎(chǔ)上，計(jì)算一實(shí)船三維線性運(yùn)動(dòng)和波浪載荷以及三維非線性運(yùn)動(dòng)和波浪載荷。</p><p>　　第二階段：計(jì)算結(jié)果分析，并包括對(duì)其中的非線性因素進(jìn)行分析。</p><p><b>

43、　　波浪理論</b></p><p><b>　　2.1概 述</b></p><p>　　為計(jì)算海洋工程結(jié)構(gòu)物所受的波浪力，就要知道它所處海域的波浪形式和特點(diǎn)。波浪理論就是用流體力學(xué)的基本規(guī)律揭示水波運(yùn)動(dòng)的內(nèi)在本質(zhì)，如波浪場(chǎng)中的水質(zhì)點(diǎn)速度分布和壓力分布等，為海洋結(jié)構(gòu)物設(shè)計(jì)時(shí)研究作用在結(jié)構(gòu)物上的波浪力，波浪引起的結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)等提供理論基礎(chǔ)。波浪理論也已得到廣泛

44、的研究，主要有線性理論和非線性理論，線性波浪理論(Airy波)是假定波浪振幅足夠小，這樣就可以基本忽略非線性項(xiàng)而得到速度勢(shì)的近似解。但海洋中實(shí)際波浪的波幅一般是有限的，有時(shí)能達(dá)到較大的數(shù)值，所以要考慮波動(dòng)自由表面引起的非線性影響。現(xiàn)今的非線性波理論主要有斯托克斯(Stokes)波理論、橢圓余弦波理論、駐波理論、流函數(shù)波理論等。以下主要介紹作為基礎(chǔ)的線性波浪理論和本論文重點(diǎn)應(yīng)用的隨機(jī)波浪譜。</p><p>　　2

45、.2 基本方程及邊界條件</p><p>　　如圖2-01表示一在海底平坦、光滑、靜水深度為d的海域向前傳播的波浪。設(shè)波浪傳播方向?yàn)閤正向，垂直向上方向z正向，坐標(biāo)原點(diǎn)位于海底。假設(shè)流體為理想流體，即無(wú)粘、無(wú)旋并且不可壓縮。此外，還假定波浪在傳播過(guò)程中保持其形態(tài)不變，其運(yùn)動(dòng)是二維的。</p><p>　　在圖2-01中，從波峰至波谷的垂直距離H稱為波高。兩個(gè)相鄰波峰的距離L稱為波長(zhǎng)，兩個(gè)相

46、鄰波峰經(jīng)過(guò)一特定點(diǎn)的時(shí)間間隔T稱為波浪的周期。設(shè)c為波浪的傳播速度，。此外，也常使用波浪的圓頻率及波數(shù)兩個(gè)參數(shù)。</p><p>　　圖2-01 波浪的傳播簡(jiǎn)圖</p><p>　　任一波浪都可由H、L(或T)、d確定，并可按不同的波浪理論確定水質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)。設(shè)理想流體的速度勢(shì)為，為任一點(diǎn)的位置及時(shí)間的函數(shù)，記為。應(yīng)滿足Laplace方程。</p><p><b

47、>　　(2-1)</b></p><p>　　并應(yīng)滿足下列邊界條件：</p><p>　　1、自由表面的運(yùn)動(dòng)邊界條件</p><p>　　自由表面的流體質(zhì)點(diǎn)必須始終留在自由表面上，而不能離開這自由表面，或者說(shuō)處于自由表面的水質(zhì)點(diǎn)的垂直于該表面的速度，等于自由表面在該方向的運(yùn)動(dòng)速度。</p><p>　　表示如下：

48、 (2-2)</p><p>　　2、海域底部的運(yùn)動(dòng)邊界條件</p><p>　　在海底上的流體質(zhì)點(diǎn)不能超過(guò)固體邊界，只能沿著邊界的切線方向運(yùn)動(dòng)，即在z= -d處垂直于固體邊界的法向速度為零，即</p><p><b>　　(2-3)</b></p><p>　　3、自由表面的動(dòng)力邊界條件<

49、;/p><p>　　若不計(jì)表面張力，則自由表面上的壓強(qiáng)P必定等于大氣壓強(qiáng)，波表面的大氣壓力應(yīng)為常數(shù)。因此把貝努利方程式應(yīng)用到自由表面處，得到自由表面的動(dòng)力邊界條件為：</p><p><b>　　(2-4)</b></p><p>　　4、波浪的周期性條件:</p><p><b>　　(2-5)</b>

50、;</p><p>　　盡管(2-1)至式(2-5)的假定，特別是關(guān)于無(wú)海流，海底平坦，二維波浪與波形不變的假定與實(shí)際情況有一定的出入，但這些假定仍然在各種波浪理論中采用。所以對(duì)它們可能產(chǎn)生的影響常需分別進(jìn)行研究。此外無(wú)旋的假定，除在海底及自由表面的邊界層以外，一般是成立的。</p><p>　　從上述可以看出要想精確求解出波浪的速度勢(shì)是非常困難的:一是自由表面條件的非線性，表現(xiàn)在運(yùn)動(dòng)邊界

51、條件式(2-3)和動(dòng)力邊界條件式(2-4)所含的乘積項(xiàng)和平方項(xiàng)；二是這些條件僅在自由表面上滿足，而本身又是未知量，就使得拉普拉斯方程的求解區(qū)域也是可變的。這就是至今還不能建立起一種波浪理論可普遍適用于各種水深、波高和波長(zhǎng)的海況條件的原因。</p><p>　　鑒于對(duì)上述各種非線性關(guān)系式求解的困難，必須進(jìn)一步作出一些假定來(lái)簡(jiǎn)化這些關(guān)系式，從而建立起幾種確定性的波浪理論以適用于各自特定的海況條件。</p>

52、<p>　　2.3 線性波浪理論</p><p>　　此理論首先由Airy提出，故又稱Airy波。它是對(duì)自然界海面上的波浪進(jìn)行了簡(jiǎn)化的最簡(jiǎn)單的波動(dòng)。滿足線性波浪理論的波動(dòng)面是水面呈簡(jiǎn)諧形式的起伏運(yùn)動(dòng)。水質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)是以平衡位置為圓心的圓周運(yùn)動(dòng)，即以圓頻率作簡(jiǎn)諧振動(dòng)。假定波幅或波高相對(duì)于波長(zhǎng)是無(wú)限小，因此可以忽略波動(dòng)自由表面引起的非線性影響，即邊界條件中的乘積項(xiàng)和平方項(xiàng)都可以忽略。并且由于假定波高H足夠

53、小，條件式(2-3)和式(2-4)可近似的在波浪平均位置z=0處滿足。此時(shí)自由表面的邊界條件線性化為</p><p><b>　　(2-6)</b></p><p><b>　　(2-7)</b></p><p>　　由以上兩式可得出 (2-8)</p><p>

54、　　然后通過(guò)分離變量法得出有限水深的線性波速度勢(shì)為</p><p><b>　　(2-9)</b></p><p>　　上式顯示了速度勢(shì)在x方向的周期性，其波長(zhǎng),周期為,為波浪的圓頻率，可知, k可定義為波數(shù)，c=L/T為波速。把式(2-9)代入式(2-8)可得</p><p>　　從而得到

55、 (2-10)</p><p>　　這就是線性波的色散關(guān)系。</p><p>　　求得流體運(yùn)動(dòng)的速度勢(shì)之后，根據(jù)速度勢(shì)的定義，即可計(jì)算波浪中水質(zhì)點(diǎn)在水平和垂直方向的運(yùn)動(dòng)速度如下</p><p><b>　　(2-11)</b></p><p><b>　　(2-12)</b></p&

56、gt;<p>　　水質(zhì)點(diǎn)在水平及垂直方向的運(yùn)動(dòng)加速度為</p><p><b>　　(2-13)</b></p><p><b>　　(2-14)</b></p><p>　　2.4 隨機(jī)波浪理論</p><p>　　海洋中的波浪是隨機(jī)的，具有統(tǒng)計(jì)規(guī)律，可以利用概率統(tǒng)計(jì)理論進(jìn)行研究，利

57、用概率統(tǒng)計(jì)理論研究海浪現(xiàn)象的理論稱為隨機(jī)波浪理論。海中船體部分在海洋中所遭遇的海浪一定是不規(guī)則的、隨機(jī)的。研究船體在波浪作用下的運(yùn)動(dòng)、受力和疲勞損壞時(shí)，必須首先研究隨機(jī)波浪。隨機(jī)理論告訴我們，當(dāng)一個(gè)隨機(jī)過(guò)程的統(tǒng)計(jì)特性不隨時(shí)間的遷移而變化，或者說(shuō)，其統(tǒng)計(jì)特性與時(shí)間的起點(diǎn)無(wú)關(guān)時(shí)，該過(guò)程稱為是平穩(wěn)的。由于海上的氣候條件有季節(jié)性的變化，因此，海洋中的波浪作為一個(gè)隨機(jī)過(guò)程，這從長(zhǎng)期而言并不具備平穩(wěn)性。但對(duì)較短的一段時(shí)間來(lái)說(shuō)，可以認(rèn)為波浪是一個(gè)平穩(wěn)

58、的隨機(jī)過(guò)程。此外，觀測(cè)證實(shí)，波面升高又是正態(tài)分布的。于是，波浪的長(zhǎng)期狀態(tài)可以看成是由許多短期海況的序列組成的，在每一短期海況中，波浪是一個(gè)均值為零的平穩(wěn)正態(tài)隨機(jī)過(guò)程，且此隨機(jī)過(guò)程具有各態(tài)歷經(jīng)性。各態(tài)歷經(jīng)性保證某一隨機(jī)過(guò)程的一個(gè)具體樣本能代替總體，通過(guò)一樣本能推求出隨機(jī)過(guò)程總體的統(tǒng)計(jì)特性。每一短期海況由表征波浪特性的參數(shù)以及該海況出現(xiàn)的頻率來(lái)描述。常用的波浪參數(shù)為有義波高Hs和平均跨零周期。Hs定義為所有波浪中波高最大的三分之一波浪的平均

59、波高，因此Hs也可表示為。定義為波面升高在相鄰兩次以</p><p><b>　　(2-15)</b></p><p>　　2.4.1 隨機(jī)波浪的譜特性</p><p>　　對(duì)振幅為的規(guī)則波，單位波面 (單位波長(zhǎng)*單位波寬)的波浪內(nèi)所具有的波能為</p><p>　　或 (2-16)</p

60、><p>　　可見波能量與波幅平方成正比。因此把范圍內(nèi)的各子波的迭加起來(lái)，并除以，得到一個(gè)的函數(shù)，令其為即</p><p><b>　　(2-17)</b></p><p>　　顯然函數(shù)比例于頻率位于間隔內(nèi)的各組成波提供的能量。如取，則比例于單位頻率間隔內(nèi)的能量，即表示波能密度。所以函數(shù)稱為波能譜密度函數(shù)，簡(jiǎn)稱海浪譜.又因?yàn)槟茏V是波浪頻率的函數(shù)，表

61、明波能相對(duì)于波頻的分布，故又稱頻譜。</p><p>　　海浪譜相對(duì)于原點(diǎn)的n階矩，以v表示，即</p><p><b>　　(2-18)</b></p><p><b>　　(2-19)</b></p><p>　　海浪波面高度的方差也比例于單位波面內(nèi)各組成波的總能量，即</p>&

62、lt;p><b>　　(2-20)</b></p><p>　　因此 (2-21)</p><p>　　海浪的分布于整個(gè)頻域內(nèi)，但其顯著部分卻集中于一段狹窄的頻率帶內(nèi)。波浪過(guò)程亦可按譜密度的形狀分為窄帶的和寬帶的，并用不規(guī)則系數(shù)或帶寬系數(shù)來(lái)表示。當(dāng)波浪是窄帶過(guò)程時(shí)，波浪中的能量相對(duì)集中在較

63、窄的頻率范圍內(nèi)，存在明顯的主頻率。這時(shí)，波幅服從Rayleigh分布。由此可計(jì)算波浪過(guò)程的標(biāo)準(zhǔn)差、跨零率、峰值率，以及不規(guī)則系數(shù)和帶寬系數(shù)[10][11]。</p><p>　　2.5波浪理論計(jì)算方法</p><p>　　潛在的理論中所描述的[6]。，是適用于Wadam計(jì)算一階輻射和衍射該小組利用三維評(píng)價(jià)方法速度潛力和水動(dòng)力系數(shù)。本實(shí)施可用于無(wú)限和有限水深和單機(jī)構(gòu)和多個(gè)互動(dòng)機(jī)構(gòu)可以進(jìn)行分析

64、。流動(dòng)假定為理想和時(shí)諧。自由表面條件是linearised的第一道命令，而潛在的理論非線性自由表面條件實(shí)行二階潛力理論計(jì)算。輻射和衍射速度的潛力濕部分體表決心從解決積分方程得到。 利用格林定理與自由面源潛力的格林函數(shù)。源優(yōu)勢(shì)評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)上源分配方法使用相同的源潛力。積分方程是discretisised成一套代數(shù)方程組的近似體表與一些平面四邊形面板。源優(yōu)勢(shì)，假定每一個(gè)常數(shù)小組。兩個(gè)，一個(gè)或沒(méi)有飛機(jī)對(duì)稱幾何形狀的身體可能存在。該解決方

65、案的代數(shù)方程系統(tǒng)提供的力量來(lái)源的面板。該方程組，這是復(fù)雜和不確定，可能是直接的解決方factorisation的迭代方法。</p><p>　　假設(shè)可確定潛在的流動(dòng)速度的梯度流動(dòng)的速度勢(shì)Φ ，滿足拉普拉斯方程：</p><p><b>　　(2-22)</b></p><p>　　在流體域。諧波時(shí)間依賴允許定義一個(gè)復(fù)雜的速度勢(shì)φ相關(guān)以Φ的：&l

66、t;/p><p><b>　　(2-23)</b></p><p>　　其中ω是頻率入射波和t是時(shí)間。相關(guān)邊值問(wèn)題將體現(xiàn)在復(fù)雜的速度勢(shì)φ的理解，該所有復(fù)雜的數(shù)量的因素eiωt適用。該linearised形式的自由表面條件：</p><p><b>　　(2-24)</b></p><p>　　其中和G是

67、重力加速度。速度潛力入射波的定義：</p><p><b>　　(2-25)</b></p><p>　　在波數(shù)K的真正根源，色散關(guān)系和β是方向之間的角度傳播的入射波和積極的X軸。線性問(wèn)題的許可證分解速度勢(shì)φ的輻射和衍射組成部分：</p><p><b>　　(2-26)</b></p><p>&

68、lt;b>　　(2-27)</b></p><p><b>　　(2-28)</b></p><p>　　常量ξj指復(fù)雜振幅振蕩運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)在其6個(gè)剛體度自由和φj相應(yīng)單位振幅輻射潛力。速度潛力φ7代表干擾的入射波的身體固定在其原始位置?？傃苌洇誅指潛在的總和φ7和入射波的潛力。在不受干擾的立場(chǎng)機(jī)構(gòu)邊界的輻射和衍射潛力均受條件：</p>

69、<p><b>　　(2-29)</b></p><p><b>　　(2-30)</b></p><p>　　其中(n1, n2, n3) = N和（n4 ，n5 ，n6） = r × n的，相關(guān)系數(shù)r = （的x ， y坐標(biāo)）。該單位向量n是正常的身體邊界并指出流體域。邊值問(wèn)題必須輔之以一個(gè)條件即將離任的波應(yīng)用于速度潛力φ

70、j，j= 1 ,..., 7 。</p><p>　　二階理論應(yīng)用于Wadam中描述編號(hào)[7]和編號(hào) [8]。Wadam計(jì)算總結(jié)和不同頻率的組成部分二階力，時(shí)刻和剛體運(yùn)動(dòng)（二次傳遞函數(shù)），在兩色和雙向波。</p><p>　　Wadam提供了一種選擇，消除不規(guī)則頻率的輻射衍射的解決辦法。這個(gè)方法是根據(jù)經(jīng)修改的積分方程得到了包括小組模式的內(nèi)部水面板。小組模型面板的水會(huì)自動(dòng)創(chuàng)建的Wadam。&

71、lt;/p><p>　　甲板運(yùn)輸船在波浪中的運(yùn)動(dòng)和波浪載荷的計(jì)算</p><p>　　3.1船舶在波浪上的運(yùn)動(dòng)理論基礎(chǔ)</p><p>　　本文在研究船舶在波浪上的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中引入如下假定：</p><p>　　1)剛體假定:假定船體是具有六個(gè)自由度的剛體，在外力作用下不變形；</p><p>　　2)流體假定:假定流體是沒(méi)

72、有粘性的理想流體，同時(shí)認(rèn)為流體是無(wú)旋有勢(shì)、均勻</p><p><b>　　不可壓縮；</b></p><p>　　3)微幅波假定:假定入射波的波幅A遠(yuǎn)小于波長(zhǎng)，由此可以認(rèn)為船體在波浪上的搖蕩運(yùn)動(dòng)也是相對(duì)于平衡位置的小振幅運(yùn)動(dòng)，船體運(yùn)動(dòng)引起的濕表面積變化量遠(yuǎn)小于其靜浮在靜水面時(shí)的濕表面積；</p><p>　　4)等速直線運(yùn)動(dòng)假定:假定波浪引起

73、的船體搖蕩運(yùn)動(dòng)參數(shù)隨時(shí)間的變化要比船體操縱運(yùn)動(dòng)參數(shù)隨時(shí)間的變化快得多。</p><p>　　圖3-1、圖3-2，為空間坐標(biāo)系、船體運(yùn)動(dòng)模態(tài)。</p><p>　　如圖3-1所示，本文定義三個(gè)右手坐標(biāo)系:</p><p>　　l)空間固定坐標(biāo)系。原點(diǎn)位于未受攪動(dòng)的靜水面上，必軸豎直向上，用于描述波浪；</p><p>　　2)隨船平動(dòng)坐標(biāo)系。原

74、點(diǎn)位于未擾動(dòng)的靜水面上，軸與船舶航行方向一致，軸豎直向上。</p><p>　　3)參考坐標(biāo)系。原點(diǎn)位于船體重心，軸與船舶航行方向一致，軸豎直向上，該坐標(biāo)系隨船體搖蕩；</p><p>　　在參考坐標(biāo)系中，動(dòng)坐標(biāo)的原點(diǎn)的位置行(,,)稱為船體相對(duì)參考系的線位移，為縱蕩，為橫蕩，為垂蕩。分別繞,,;軸旋轉(zhuǎn),,角度和參考坐標(biāo)平行，這三個(gè)角度定義了船舶的橫搖，縱搖，首搖。參考坐標(biāo)和動(dòng)坐標(biāo)之間的關(guān)

75、系是</p><p>　　(,,)=(,,)+(,,)+(,,)×(,,)</p><p>　　圖3-1 空間坐標(biāo)系</p><p>　　圖3-2顯示了船舶在波浪上運(yùn)動(dòng)六種運(yùn)動(dòng)模態(tài)：縱蕩、橫蕩、垂蕩、縱搖、橫搖、艏搖。</p><p>　　圖3-2船體運(yùn)動(dòng)模態(tài)</p><p>　　3.2 波浪載荷研究理論&

76、lt;/p><p>　　船舶在波浪中的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)及波浪載荷預(yù)報(bào)，對(duì)于船體結(jié)構(gòu)有限元分析、可靠性分析及疲勞分析等是十分重要的，是進(jìn)行合理的船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。在給定了船舶用途的前提下，只有確定了波浪載荷，并結(jié)合船舶實(shí)際運(yùn)營(yíng)時(shí)的內(nèi)部載荷，才能設(shè)計(jì)出滿足一定結(jié)構(gòu)強(qiáng)度而又經(jīng)濟(jì)實(shí)用的船體。所以船舶結(jié)構(gòu)生產(chǎn)設(shè)計(jì)水平的進(jìn)步與波浪載荷理論的不斷法陣與完善是密不可分的。</p><p>　　影響船體總體強(qiáng)度的外部

77、載荷主要由重力，靜水浮力和波浪力三項(xiàng)組成。前兩項(xiàng)是比較明確的，它們可以由設(shè)計(jì)的構(gòu)件尺寸、型線計(jì)算與船舶的吃水得到。然而波浪引起的船體載荷是隨機(jī)統(tǒng)計(jì)量，需要根據(jù)現(xiàn)有的海洋波浪統(tǒng)計(jì)資料將設(shè)計(jì)船置于海洋波浪環(huán)境中，計(jì)算船體在波浪上的運(yùn)動(dòng)和所受載荷。由于海洋環(huán)境下波浪是不規(guī)則的，它包含著復(fù)雜的諧波成分，且與船舶在不同方向遭遇，因此首先需要研究船舶在各種規(guī)則波上的響應(yīng)特性，其次再研究船舶在不規(guī)則波上的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)與誘導(dǎo)載荷，并結(jié)合國(guó)際海洋觀測(cè)統(tǒng)計(jì)資料

78、，求出船舶在其指定海域內(nèi)航行時(shí)運(yùn)動(dòng)與載荷響應(yīng)的長(zhǎng)期預(yù)報(bào)，進(jìn)而對(duì)船舶所承受的波浪載荷作出全面的科學(xué)描述。</p><p>　　在船舶的搖蕩運(yùn)動(dòng)計(jì)算中，運(yùn)動(dòng)參考坐標(biāo)系的坐標(biāo)原點(diǎn)取在中縱剖面、水線面及重心所在的橫剖面三面相交處的交點(diǎn)；X軸位于中縱剖面，指向船艏；Y軸指向左舷；Z軸垂直于水線面向上。船舶航行于海上，可以產(chǎn)生六個(gè)自由度的剛體運(yùn)動(dòng)，在船舶的截面上可以產(chǎn)生六個(gè)方向的波浪誘導(dǎo)載荷[11][12]。</p&g

79、t;<p>　　波浪誘導(dǎo)船體運(yùn)動(dòng)和載荷與運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系的關(guān)系如表3.1所示。</p><p>　　表3.1 波浪誘導(dǎo)運(yùn)動(dòng)和載荷與坐標(biāo)系的關(guān)系</p><p><b>　　3.3船舶參數(shù)資料</b></p><p>　　3.3.1船舶主尺度</p><p>　　表3-2 甲板運(yùn)輸船的主尺度</p>

80、<p><b>　　3.3.2裝載工況</b></p><p>　　本船取滿載出港和滿載到港，壓載出港和壓載到港共四種裝載工況。</p><p><b>　　如表3-2所示:</b></p><p>　　表3-2 各裝載工況主要參數(shù)</p><p>　　3.4 船舶在規(guī)則波中的運(yùn)動(dòng)與載

81、荷分析計(jì)算</p><p>　　在規(guī)則波中船體運(yùn)動(dòng)與載荷計(jì)算廣泛應(yīng)用三維源匯理論，其基本假定為：</p><p>　　1)船體運(yùn)動(dòng)及波浪均是微幅、線性的；</p><p>　　2)視水為無(wú)粘性流體，且為不可壓縮的理想流體，其表面張力效應(yīng)可忽略不計(jì)；</p><p>　　3)運(yùn)動(dòng)是無(wú)旋的，考慮繞射和輻射的影響.于是可得到船體在規(guī)則波中的運(yùn)動(dòng)方程

82、為</p><p>　　式中，M為船舶廣義質(zhì)量矩陣，X(ω，β)為單位規(guī)則波，ω為波浪圓頻率，β為浪向角，A(ω)為附加質(zhì)量陣，Ce為外部回復(fù)力陣，C為靜水回復(fù)力陣，B(ω)p為勢(shì)流阻尼陣，Bν為線性粘性阻尼[9]。</p><p>　　船舶在實(shí)際運(yùn)動(dòng)中受到的波浪載荷是由許多簡(jiǎn)單的規(guī)則波疊加而成的復(fù)雜波作用在上面而成的，因此計(jì)算規(guī)則波是正確分析波浪載荷的基礎(chǔ)和前提。</p>

83、<p><b>　　3.5計(jì)算條件</b></p><p>　　浪向：0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°、105°、120°、135°、150°、165°、180°</p><p><b>　　航速：0

84、 kn</b></p><p>　　波頻ω和波長(zhǎng)λ之間的關(guān)系按λ=2πg(shù)/ω2</p><p>　　頻率范圍：0.5～3 rad/s</p><p><b>　　頻率間隔：0.05</b></p><p><b>　　圖3-3浪向角</b></p><p>　　全

85、船濕表面模型的建立</p><p>　　對(duì)全船進(jìn)行有限元分析，必須首先建立有限元模型。建立整船結(jié)構(gòu)濕表面模型是最基礎(chǔ)最重要的工作，它應(yīng)能正確反映船體濕表面特點(diǎn)，結(jié)構(gòu)有限元模型由大量的節(jié)點(diǎn)及相同量級(jí)的單元組成。根據(jù)實(shí)際船舶的結(jié)構(gòu)形式、受力情況、精度要求和計(jì)算的最終目的,運(yùn)用結(jié)構(gòu)力學(xué)和有限元知識(shí) ,選用適當(dāng)類型的有限元加以模擬而得出的模型。具體包括建立結(jié)構(gòu)有限元模型、水動(dòng)力計(jì)算模型和質(zhì)量模型。</p>

86、<p>　　4.1甲板運(yùn)輸船船體外表面模型的建立</p><p>　　為了更好地說(shuō)明集裝箱船波浪載荷特點(diǎn)，本文采用Wadam軟件對(duì)一條139m甲板運(yùn)輸船的運(yùn)動(dòng)和波浪載荷進(jìn)行了詳細(xì)計(jì)算和分析。根據(jù)所給船型的資料，按照型線圖中各點(diǎn)的數(shù)據(jù)，通過(guò)patran軟件建出甲板運(yùn)輸船船體外表面模型。坐標(biāo)系為笛卡爾坐標(biāo)系，x正方向指向船艏，y正方向指向左舷，z正方向豎直向上。主要過(guò)程如下：</p><

87、p>　　1.首先根據(jù)型值表在patran中畫出點(diǎn)，其次將點(diǎn)連接起來(lái)，具體操作界面如圖4-1所示：</p><p>　　圖4-1 patran操作</p><p><b>　　有限元網(wǎng)格的劃分</b></p><p>　　在整個(gè)網(wǎng)格劃分過(guò)程中，因?yàn)楣ぷ髁勘容^大，所以為了避免出現(xiàn)太大的錯(cuò)誤，我選擇一個(gè)站距一個(gè)站距的劃分網(wǎng)格。這樣的話可以避免邊

88、界線的重復(fù)而導(dǎo)致的網(wǎng)格錯(cuò)亂現(xiàn)象。網(wǎng)格也只需劃分一半即可，對(duì)于船的首部和尾部型線變化比較大的部位，就需要慢慢的進(jìn)行調(diào)整，主要是對(duì)外板的調(diào)整，使其盡量均勻負(fù)荷要求。船的平行體部分劃分還是可以比較方便的劃分的。畫好的網(wǎng)格如圖4-2所示：</p><p>　　圖4-2 139m甲板運(yùn)輸船模型</p><p><b>　　定義材料屬性</b></p><p

89、>　　彈性模量210000，泊松比0.3，密度7850定義殼單元屬性，厚度取12mm。施加水動(dòng)力載荷，注意單元的朝向要一致。進(jìn)行分析，生成FEM形式文件，此文件要在HydroD計(jì)算中導(dǎo)入。</p><p><b>　　4.2質(zhì)量模型</b></p><p>　　為了計(jì)算船體重力載荷及其分布產(chǎn)生的力矩，需要擁有全船質(zhì)量分布資料。研究船體在波浪上的運(yùn)動(dòng)，必須有正確的

90、重量、重心位置、質(zhì)量慣性矩等，才有可能計(jì)算得到與實(shí)船相一致的運(yùn)動(dòng)性能。</p><p>　　通過(guò)調(diào)整全船結(jié)構(gòu)有限元模型中構(gòu)件單元的密度，可以由程序自動(dòng)計(jì)算結(jié)構(gòu)重量。由于在模型中略去了一些次要的構(gòu)件，且不含有固定設(shè)備的重量，舾裝件等其它非船體結(jié)構(gòu)的重量,因此直接計(jì)算得到的結(jié)構(gòu)重量總是小于實(shí)際的空船重量,重心位置也與空船重心不相符。為此需要參照實(shí)際空船重量及其分布情況的資料，調(diào)整結(jié)構(gòu)模型各部分的材料密度值，使結(jié)構(gòu)模型

91、直接計(jì)算得到的結(jié)構(gòu)自重與空船重量相符。</p><p>　　對(duì)于船上的貨物及設(shè)備等其它裝載重量，根據(jù)實(shí)際重量資料，將其分配到相關(guān)的節(jié)點(diǎn)上，由各節(jié)點(diǎn)附加質(zhì)量在重力加速度作用下產(chǎn)生節(jié)點(diǎn)重力，由各節(jié)點(diǎn)質(zhì)量構(gòu)成的數(shù)據(jù)組，形成全船質(zhì)量模型，并且全船的重量重心與浮心位置在縱向上基本一致。這樣計(jì)算得到的全船質(zhì)量模型可以與實(shí)船的真實(shí)重量分布基本一致。</p><p>　　圖4-3 139m甲板運(yùn)輸船

92、質(zhì)量模型</p><p>　　圖4-4到圖4-7為不同裝載工況下的質(zhì)量模型</p><p>　　圖4-4 為滿載出港工況下的質(zhì)量模型的重心高度為9.291m</p><p>　　圖4-5 為滿載到港工況下的質(zhì)量模型的重心高度為10.198m</p><p>　　圖4-6 為壓載出港工況下質(zhì)量型的重心高度為4.455m</p>

93、<p>　　圖4-7 為壓載到港工況下質(zhì)量模型重心高度為4.465m</p><p><b>　　4.3 水動(dòng)力計(jì)算</b></p><p>　　眾所周知，外載荷、結(jié)構(gòu)響應(yīng)和強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)是評(píng)定艦船與海洋工程結(jié)構(gòu)物安全的3 個(gè)相互關(guān)聯(lián)的重要因素。其中，合理的確定載荷是正確評(píng)定結(jié)構(gòu)安全性的基礎(chǔ)和關(guān)鍵。艦船與海洋工程結(jié)構(gòu)在其壽命期內(nèi)將遭受的外力主要有結(jié)構(gòu)自重、環(huán)境載荷

94、、作業(yè)載荷和偶然性載荷。其中，環(huán)境載荷中的波浪載荷是所有外載荷中最為復(fù)雜、最關(guān)鍵的載荷。人們對(duì)船與海洋工程結(jié)構(gòu)所受的波浪載荷，進(jìn)行了長(zhǎng)期的研究，并形成了經(jīng)驗(yàn)公式、數(shù)值預(yù)報(bào)與模型試驗(yàn)3種技術(shù)手段水動(dòng)力分析可獲得海洋結(jié)構(gòu)物在波浪中的運(yùn)動(dòng)、特征剖面上的載荷和濕表面的水動(dòng)壓力3 類響應(yīng)。運(yùn)動(dòng)響應(yīng)可用于耐波性分析、砰擊壓力預(yù)報(bào)、上浪分析以及慣性力計(jì)算等方面。特征剖面上的載荷響應(yīng)用于結(jié)構(gòu)物的總體強(qiáng)度分析。不同的海洋結(jié)構(gòu)物，所關(guān)注的特征剖面上的載荷響

95、應(yīng)也有所不同。如，關(guān)注“船”形浮體的橫向剖面的剪力、彎矩、扭矩等。濕表面的水動(dòng)壓力響應(yīng)是艙段與全船有限元分析及其疲勞分析中必不可少的載荷參數(shù)。</p><p>　　水動(dòng)力分析的目的是研究浮體在海浪中的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。海浪是各態(tài)歷經(jīng)的平穩(wěn)隨機(jī)過(guò)程,由無(wú)限多個(gè)頻率不等、方向不同、振幅變化而且相位雜亂的簡(jiǎn)諧微幅波疊加而成。浮體在隨機(jī)不規(guī)則波中的響應(yīng)譜可由單位波幅波中的響應(yīng)(傳遞函數(shù)) 和海浪譜來(lái)確定。由此可知，浮體在規(guī)則波中

96、響應(yīng)的分析是它在隨機(jī)不規(guī)則海浪中響應(yīng)分析的基礎(chǔ)。水動(dòng)力分析中，通常假定浮體所處的海洋是均勻、不可壓縮、無(wú)粘和無(wú)旋的理想流場(chǎng)。因而，流場(chǎng)的速度勢(shì)滿足拉普拉斯方程，并滿足流場(chǎng)自由表面和底部條件、浮體物面條件以及初始條件與輻射條件。數(shù)學(xué)求解浮體水動(dòng)力的困難在于完全滿足上述條件非線性定解問(wèn)題。為此，人們引入了一定的假定，并作了簡(jiǎn)化，形成了水動(dòng)力分析理論。</p><p>　　運(yùn)用SESAM程序系統(tǒng)中HydroD進(jìn)行靜水力

97、計(jì)算。</p><p>　　首先進(jìn)行基本環(huán)境定義，定義水域環(huán)境及海況，包括重力、空氣密度、水密度、吃水及波浪方向、波浪頻率等。波浪頻率的設(shè)置有周期、波頻或波浪角頻率。根據(jù)模型設(shè)計(jì)要求進(jìn)行選擇，輸入數(shù)據(jù)。如圖4-8、圖4-9、圖4-10所示。</p><p>　　圖4-8 定義基本環(huán)境</p><p>　　圖4-9定義波浪頻率 4-10定義波

98、浪傳播角度圖</p><p>　　其次，建立水動(dòng)力模型，導(dǎo)入已建好的139m甲板運(yùn)輸船濕表面模型（panel model）。如圖4-11、圖4-12所示。</p><p>　　圖4-11新建水動(dòng)力模型</p><p>　　圖4-12導(dǎo)入已建立的濕表面模型</p><p>　　查靜水彎矩計(jì)算書讀取船舯水線處的吃水，再通過(guò)船舯水線處（Z軸方向）的

99、吃水、縱傾來(lái)定義裝載工況（Load condition）。并將所讀取的數(shù)值輸入。如圖4-13所示。</p><p>　　圖4-13輸入裝載工況</p><p>　　通過(guò)SESAM建立panel模型，同時(shí)在panel模型上顯示出各個(gè)橫截面的三維圖形，沿船長(zhǎng)通過(guò)點(diǎn)和面建立25個(gè)橫剖面（Load Cross Section）。見表4-1及圖4-14。</p><p>&l

100、t;b>　　表4-1橫截面位置</b></p><p>　　圖4-14 25個(gè)截面的分布情況</p><p>　　水動(dòng)力分析通過(guò)軟件SESAM/Wadam進(jìn)行，Wadam run包括Wadam計(jì)算的所有信息，先選擇正確的波浪方向及頻率、水動(dòng)力模型、裝載工況和海洋狀況。輸入甲板運(yùn)輸船的垂線間長(zhǎng)，通過(guò)Maximum Print 輸出信息，如圖4-15所示。界面上的窗口就會(huì)顯

101、示出做好的模型數(shù)據(jù)菜單文件，如圖4-16所示。</p><p>　　圖 4-15輸入船舶垂線間長(zhǎng) 圖 4-16模型數(shù)據(jù)菜單</p><p>　　動(dòng)力模型都建立好后，就對(duì)甲板運(yùn)輸船進(jìn)行水動(dòng)力分析，這時(shí)打開“Analysis Panel”對(duì)話框，選定需要計(jì)算的工況，點(diǎn)擊“Execute Wadam”，運(yùn)行得出波浪載荷預(yù)報(bào)結(jié)果。如圖4-17、圖4-18所示。

102、</p><p>　　圖 4-17水動(dòng)力分析工況選擇對(duì)話框</p><p>　　圖 4-18水動(dòng)力分析計(jì)算對(duì)話框</p><p>　　通過(guò)水動(dòng)力分析后，在HydroD文件下會(huì)生成EXCEL計(jì)算文件，里面將會(huì)得到必要的數(shù)據(jù)，而這些數(shù)據(jù)就是本次課題研究所需要的，垂向波浪剪力和垂向波浪彎矩值，以及波浪散布概率。通過(guò)這些數(shù)據(jù)整理出各個(gè)裝載工況下垂向波浪剪力和垂向波浪彎矩分

103、布值，并將六個(gè)自由度下的不同波浪入射角所產(chǎn)生的船體運(yùn)動(dòng)整理成表格的形式（見附錄一、二）。</p><p><b>　　4.4本章小結(jié)</b></p><p>　　復(fù)雜船體結(jié)構(gòu)的模型化技術(shù)是進(jìn)行全船有限元分析的基礎(chǔ)，準(zhǔn)確構(gòu)建船體有限元模型是精確估計(jì)船舶波浪載荷的前提。因此本章是船舶波浪載荷分析計(jì)算過(guò)程中最為重要的一部分，否，在很大程度上決定了波浪載荷是否能得到良好的估計(jì)

104、。本章139m甲板運(yùn)輸船為研究對(duì)象，詳細(xì)介紹了全船濕表面模型的建立為波浪載荷分析奠定了基礎(chǔ)，而質(zhì)量模型的建立使得最終的計(jì)算結(jié)果能較準(zhǔn)確地反映出實(shí)船的重力和慣性力的真實(shí)分布，為水動(dòng)力分析做了奠定，使得能夠較為準(zhǔn)確的反映出139m甲板運(yùn)輸船的垂向波浪剪力和垂向波浪彎矩和橫搖扭矩的長(zhǎng)期預(yù)報(bào)。本章中對(duì)在實(shí)際運(yùn)營(yíng)中的海況做了較為準(zhǔn)確的定義，浪向角，波浪頻率的定義都是符合實(shí)際規(guī)范的，如此能在有限元計(jì)算中很好的估計(jì)船舶所受的實(shí)際波浪載荷。</p

105、><p><b>　　數(shù)據(jù)結(jié)果分析</b></p><p>　　5.1同一種工況在不同浪向角情況下的波浪載荷</p><p><b>　　5.1.1滿載出港</b></p><p>　　圖5-1到圖5-3是滿載出港工況下不同浪向角作用時(shí)船體所受的波浪誘導(dǎo)垂向剪力、垂向彎矩、波浪扭矩。</p>

106、<p>　　圖 5-1滿載出港工況下不同浪向角的剪力值</p><p>　　圖 5-2滿載出港工況下不同浪向角的彎矩值</p><p>　　圖 5-3滿載出港工況下不同浪向角的扭矩值</p><p><b>　　5.1.2滿載到港</b></p><p>　　圖5-4到圖5-6是滿載到港工況下不同浪向角作用

107、時(shí)船體所受的波浪誘導(dǎo)垂向剪力、垂向彎矩、波浪扭矩。</p><p>　　圖 5-4滿載到港工況下不同浪向角的剪力圖</p><p>　　圖 5-5滿載到港工況下不同浪向角的彎矩圖</p><p>　　圖 5-6滿載到港工況下不同角度浪向角的扭矩圖</p><p><b>　　5.1.3壓載出港</b></p>

108、<p>　　圖5-7到圖5-9是壓載出港工況下不同浪向角作用時(shí)船體所受的波浪誘導(dǎo)垂向剪力、垂向彎矩、波浪扭矩。</p><p>　　圖 5-7壓載出港工況下不同浪向角的剪力值</p><p>　　圖 5-8壓載出港工況下不同浪向角的彎矩值</p><p>　　圖 5-9壓載出港工況下不同浪向角的扭矩值</p><p><

109、b>　　5.1.4壓載到港</b></p><p>　　圖5-10到圖5-12是壓載到港工況下不同浪向角作用時(shí)船體所受的波浪誘導(dǎo)垂向剪力、垂向彎矩、波浪扭矩。</p><p>　　圖 5-10壓載到港工況下不同浪向角的剪力值</p><p>　　圖 5-11壓載到港工況下不同浪向角的彎矩值</p><p>　　圖 5-12

110、壓載到港工況下不同浪向角的扭矩值</p><p>　　本節(jié)小結(jié)：由以上各圖可以得到以下結(jié)論同一工況在不同的浪向角作用下波浪扭矩在浪向角為90°時(shí)波浪扭矩值最大，在0°、180°時(shí)波浪扭矩值最小且值在0-90度和90-180度之間過(guò)渡，60°和120°、30°和150°的值相似，在滿載出港和滿載到港兩種情況下在距尾1/4處達(dá)到極值，壓載出港和壓載

111、到港兩種情況下在船中處達(dá)到最大值。彎矩在90°時(shí)達(dá)到最小值，0°、180°時(shí)達(dá)到最大值且都在船中處達(dá)到最大值。剪力在0°、180°時(shí)達(dá)到極大值，90°時(shí)達(dá)到最小值，且在距首尾1/4處達(dá)到極大值。</p><p>　　5.2同一浪向角時(shí)不同工況的波浪載荷</p><p>　　5.2.1裝載狀態(tài)對(duì)于波浪誘導(dǎo)垂向剪力、垂向彎矩的影<

112、;/p><p>　　圖5-13到圖5-26是波浪入射角為0°、30°、60°、90°、120°、150°、180°時(shí)的不同裝載裝載下波浪誘導(dǎo)垂向剪力和波浪誘導(dǎo)垂向彎矩。本船船長(zhǎng)為139m甲板運(yùn)輸船，以不同裝載工況下在不同波浪入射角下的各垂向波浪剪力和各垂向波浪彎矩的對(duì)比曲線圖,共有滿載出港、滿載到港、壓載出港、壓在到港四種裝載工況。以下就是這四種工