計(jì)及波激振動(dòng)和顫振效應(yīng)的超大型集裝箱船疲勞強(qiáng)度研究.pdf

1、近年來(lái)為了提高大型集裝箱船的經(jīng)濟(jì)性，同時(shí)為了滿足日益嚴(yán)格的節(jié)能環(huán)保要求，集裝箱船的設(shè)計(jì)向著大型化的方向在發(fā)展，船舶尺度的增大、大外飄設(shè)計(jì)和航速的要求使得水彈性效應(yīng)變得更加突出。波激振動(dòng)和顫振能夠顯著提高船舶結(jié)構(gòu)疲勞損傷，但現(xiàn)階段在計(jì)算結(jié)構(gòu)載荷和疲勞強(qiáng)度時(shí)，很少計(jì)及波激振動(dòng)和顫振的影響。本文以一艘大型集裝箱船為例展開(kāi)相關(guān)研究工作，對(duì)波激振動(dòng)和顫振的計(jì)算流程做了詳細(xì)的論述，提出了計(jì)算波激振動(dòng)效應(yīng)及其對(duì)于疲勞損傷貢獻(xiàn)的計(jì)算流程，總結(jié)了符合工程

2、要求的實(shí)用方法。
　　船舶在波浪中航行時(shí)受到波浪載荷作用，船體作為彈性體也會(huì)有動(dòng)態(tài)響應(yīng)，耐波性響應(yīng)采用三維Rankine源法和二維切片法來(lái)計(jì)算，時(shí)域計(jì)算時(shí)考慮非線性載荷作用和瞬時(shí)響應(yīng)，考慮非線性 Froude-Krylov力和水彈性載荷的影響。繞射力和輻射力計(jì)算時(shí)保持線性，通過(guò)頻域計(jì)算來(lái)確定。水彈性的計(jì)算則可以給出顫振的瞬態(tài)響應(yīng)結(jié)果，波激振動(dòng)的響應(yīng)利用切片法來(lái)計(jì)算，計(jì)算時(shí)考慮迎浪航行時(shí)的對(duì)稱(chēng)響應(yīng)和斜浪航行時(shí)的非對(duì)稱(chēng)響應(yīng)。
　

3、　考慮到計(jì)算效率和可靠性，砰擊計(jì)算采用兩種二維方法計(jì)算。第一種方法為擴(kuò)展的瓦格納方法，第二種方法為修正的Logvinovich方法。后一種方法計(jì)算效率更快，被更廣泛的使用。在每一個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)內(nèi)，砰擊載荷的計(jì)算是建立在相對(duì)運(yùn)動(dòng)的基礎(chǔ)上，所以在計(jì)算相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)要考慮到砰擊作用力。
　　全船結(jié)構(gòu)響應(yīng)通過(guò)模態(tài)分析和耐波性計(jì)算來(lái)完成，在計(jì)算過(guò)程中要把水動(dòng)力結(jié)果傳遞到有限元模型上，通過(guò)結(jié)構(gòu)有限元模型來(lái)完成局部結(jié)構(gòu)的分析，這樣可以通過(guò)有限元模型直接

4、提取節(jié)點(diǎn)應(yīng)力來(lái)完成強(qiáng)度評(píng)估和疲勞計(jì)算。三維有限元計(jì)算自由振動(dòng)時(shí)，模擬船體在水中自由懸浮狀態(tài)，各節(jié)點(diǎn)不加約束，邊界條件為自由邊界，在計(jì)算濕模態(tài)振動(dòng)時(shí)要考慮附連水質(zhì)量，船體附連水質(zhì)量是在MSC/NASTRAN內(nèi)通過(guò)定義有限元模型濕表面單元和吃水高度來(lái)自動(dòng)實(shí)現(xiàn)計(jì)算，其理論是用Helmholtz方法求解流體運(yùn)動(dòng)的拉普拉斯方程。
　　疲勞計(jì)算分為兩部分，第一部分是利用ABS規(guī)范進(jìn)行簡(jiǎn)化計(jì)算，其中包含砰擊計(jì)算、顫振計(jì)算和波激振動(dòng)計(jì)算。在疲勞貢

5、獻(xiàn)率的計(jì)算方面，首先把船體作為剛體，在不考慮二節(jié)點(diǎn)振動(dòng)的情況下，計(jì)算船體的彎矩以及應(yīng)力響應(yīng)，以此計(jì)算疲勞損傷，第二步則需要在考慮到二節(jié)點(diǎn)振動(dòng)和顫振的情況下，計(jì)算總彎矩以及應(yīng)力的響應(yīng)值，得到總疲勞損傷，最后計(jì)算疲勞損傷中由于顫振和波激振動(dòng)導(dǎo)致的疲勞增加。
　　第二部分采用直接計(jì)算方法來(lái)完成，首先進(jìn)行不考慮波激振動(dòng)效應(yīng)的疲勞損傷計(jì)算，通過(guò)譜分析和設(shè)計(jì)波法計(jì)算船舶結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度，此部分先進(jìn)行波浪載荷計(jì)算，然后把波浪載荷直接加載到有限元模

6、型上提取應(yīng)力響應(yīng)，計(jì)算時(shí)先計(jì)算單位規(guī)則波的響應(yīng)值，得到應(yīng)力傳遞函數(shù)，然后按照海浪譜的概率分布進(jìn)行計(jì)算。設(shè)計(jì)波法是譜分析法的一種簡(jiǎn)化，只需要在每個(gè)浪向下定義一個(gè)控制載荷，將控制載荷達(dá)到最大值時(shí)的波幅和周期作為設(shè)計(jì)波來(lái)計(jì)算該浪向下的疲勞損傷，這種方法計(jì)算更加方便快捷。
　　在計(jì)算計(jì)及波激振動(dòng)效應(yīng)的疲勞損傷時(shí)，同樣采用譜分析的原理，在每一個(gè)短期海況計(jì)算波激振動(dòng)和顫振響應(yīng)，得到載荷時(shí)間歷程后，統(tǒng)計(jì)對(duì)于疲勞損傷有作用的應(yīng)力循環(huán)，利用雨流計(jì)數(shù)

7、法得到載荷譜，與S-N曲線結(jié)合計(jì)算累計(jì)損傷度，最后對(duì)比不考慮波激振動(dòng)效應(yīng)的疲勞計(jì)算結(jié)果，得到波激振動(dòng)對(duì)于船體總疲勞損傷的貢獻(xiàn)率。
　　通過(guò)以上計(jì)算步驟完成了一艘超大型集裝箱船的疲勞計(jì)算，從計(jì)算結(jié)果看，壓載航行時(shí)由于其淺吃水導(dǎo)致疲勞損傷較為嚴(yán)重，波激振動(dòng)和顫振又會(huì)使得疲勞損傷進(jìn)一步增加，根據(jù)北大西洋海浪譜計(jì)算結(jié)果壓載航行時(shí)會(huì)增加超過(guò)40％，全球海況下會(huì)增加30%以上，合成計(jì)算結(jié)果也會(huì)超過(guò)20%，而滿載工況下一般會(huì)增加13%左右。所以