（船舶与海洋结构物设计制造专业论文）大型集装箱船三维波浪载荷计算.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 波浪载荷是船舶结构设计中要考虑的最重要的载荷，它的正确计算是优化 船舶结构设计，合理评估船舶强度的重要前提。对于大型集装箱船，由于这种 船型大开口，扭转刚度下降，使其结构强度除总强度外，扭转强度成为突出矛 盾，在斜浪中的扭矩是最值得关注的。同时，船首的外飘冲击力，甲板上浪、 首尾砰击等十分明显，船的大幅度运动并伴随底部砰击所引起的非线性载荷远 比运动的非线性突出；大型集装箱船在波浪中的运动具有明显的非线性特征； 在高海情况下中剖面处弯矩出现中垂和中拱的不对称现象；在短波长迎浪条件 下，扭矩最大；扭矩比水平和垂直弯矩小得多；重量沿船长的分布对扭矩的计 算至关重要；除了总纵弯矩外，由于其大开口，由扭矩产生的变形很大；前后 各断面处不同的纵向变形引起高的翘曲应力，由于集装箱船的结构，机舱前周 围位置绕曲应力相对较大；因此，大型集装箱船必须加强扭转强度的研究，船 首外飘引起的波浪砰击，甲板上浪等研究；扭矩的非线性明显出现在船首，而 船中和船尾几乎很少出现；非线性载荷出现在各种船体响应，如船体运动，船 体力矩，以及船体压力，因此，在最终设计载荷时非线性影响必须考虑进去； 对于集装箱船尾非对称船型和重量沿船长分布的情况造成了船尾的扭矩远大于 船中和船首等。 基于集装箱船此类载荷特点，本文展开了相关研究。采用三维时域r a n k j n e 源方法对大型集装箱船六自由度运动和波浪载荷进行了计算。首先对大型集装箱 船研究进展，国外船级社大型集装箱船结构直接计算应用情况进行了调查，并 在学习和消化使用w a s n 以软件的基础上，分别计算了不同浪向角对应的线性条 件下六个自由度的运动响应、中剖面及船首尾剖面力和力矩；非线性条件下六 个自由度的运动时历、中剖面及船首尾剖面力和力矩的时历、全船的总压力分 布。最后对计算结果进行了分析，并包括对其中的非线性因素进行分析。分析得出，这 些结论与多家船级社的相关计算结果是一致的，进一步确认了三维方法相比较 切片法更适合于大型集装箱船的运动和波浪载荷计算。 关键字：r a l l 虹n e 源，船舶运动响应，波浪载荷，时域 1j 武汉理工大学硕士学位论文 a b s n a c t w a v e1 d ss h o u l db ec o n s i d e r e da st h em o s ti m p o n a i l to n ew i 1 i 1 1as 蜘l c t i 】r a j d e s i g n ，t h ec o r r e c tc 出叫a t i o no fw h i c hi s 也ep r e r e q l l i s i t e so fs 仇l c t i l r a ld e s i g no fm e s h i p 趾dr e o n a b l e 鼬s e s s i 蹦1 to ft l l es m pi n t e n s i 哆f o r1 l l 仃a ，c o n 雠n e rs h i p s ，瓠a r e g l l l to f b i g0 p i n g s0 f t h i ss h i ps h a p e ，t l l et o r s i n a ls 廿e n g l l li sd o w n 衄dt h et o r s i n a ls 仃e n g l l l i sp r 伽 1 j l l tc 0 啦甜i 嘶o mb 鼯i d e st o 诅ls 虮l c 们同s 咖g 血，i nr a m p sw a v e sm et o r s i n a l m 伽e n ti s 也em o s tc o n c e m a t1 h es 咖et i m e ，b o wn a r ei m 】b a c t s ，伊e 铋s e a1 0 a d _ i 1 1 9 s ， m eb o wa n ds t e m 拙k 锄ds oo na r e 麟t r e m e l yo b v i o 璐l y ，也es h i pl a r g ea i 】叩1 i m d e m o 咖t 粕d 埘出出。n o n - 】j n 船r 1 0 a dw h j c h 如eb a 辩s o u n do f s o m 跳i 1 1 9b 曲培s 锄c ko r 蹦1 i n g t 0m e 母o u n ds 臼唷k e sc a _ i l s e sm en o n - l i e a r i 哆1 0 8 dt ob ef a rm a r ep r o m 血e n tt h 姐t h em o v e m e n t ； t h el a r g ec t 豳e 瑙l l i ph 髂t 1 eo b 、，i o u sn 0 i l - l ：i n e a rc h a r a c t e 凼石ci nw a v e 1 0 v 锄e n t ；i nr a 删l p s w a v e s 也et o r s i i l a lm o m ti s 血em o s tc o n c e m ，t l l em 伽舱n to fm em i d m ep r o = f i l ei s a n j s o m e r o l l sa b o u tt h e 锄e r g c ea n dm el o w e r ；王nm es h o n - w a v ei e r l g t hr a m p s w a v e sc o n d i t i o s ，廿l et o r s i n a lm o m e n ti st h em o s tl a 培e ；l et o r s i i l a lm o m e n ti s m u c hs m a l l e rm a i lt 1 1 eh 嘶枷t a lm o m e m 锄dt h ev e r t i c a li n o m e n t ；t h ew e 谵h t d i 蚰曲m i o na l o n gm es h i p1 e n g mi sv e r yi n l p o r t a n tf o re w 曲a t m g 也et o r s i n a lm o m e n t ； w i 也w a v ea n g l e1 2 0d e 矿e e s ，b e c 螂emt l l es a v el e 孵hr 趾g eh o r i z o n t a l m a v e m e n t 锄1 p l i n l d ei ss m a l l ，也et o r s 协a 1m o m e n ti sg e n e r 砒e dm 巍i yb ym e h y d r o d y n a i n i cp r e s s u r em m e r 【h a ni n e r t i af o r c e ；t l l en o i l l i n e a rc h a r a c t e r i s t i c 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a n k n es o l l r c e sm e 幽o d si nt i m ed o m a m m a k et h ed i r e c t s 臼u c t i i r a lc m c l l l a t i o n sf o ru 1 缸ac o n t a i n e rs h i 口s f i r s ts o m er e s e a “、ha r em a d ea _ b o u t l a r g ec o n t a i n e rs 1 1 i p sp r o g r e s so f 廿l es t l l d y ，f o r e i g nc 1 嬲s i f i c a t i o ns o c i e t i e s1 a 玛e c o 慨n e rs h i p sd i r c c t l yc a l c u l a t es 协l c m la p p l i c a t i o n s ，0 nt h eb a s i so fs m d y i n ga n d u s i n gw a s 订s o 脚a r et l l e3 dl i i l e a rm o v e m e n t s 趾dw a v el o a d ，t h e3 dn o n l i n e a r m o v e m e n t 锄dw a v e1 0 a do fap r a c 垃c a ls h i pa r ec a l c u l a t e d ，l o r e o v e r m e 缸l a lr e s u l t s o f 也ec a l c u l a t i o h v eb e c n 趾a l y s e d ，i n c l u d i l l ga na n a l y s i so f m en o n l i n e a re l e m e n t 1 l s e sw a s 蹦s o 脚a r ei 1 1 血es t l l d ya dt h ed i g e s 廿0 ni n 血ef o u n d 撕o n ，s 印a 伯协l yh a sc a l c u l 啦d 吐l ed i 丘打e n tw a v et 0l l l ea n g l ec o r r e s p o n d e n c el i n e 盯c o n 出虹o n e x ts i 】【d e g r so f 丹e e d o m m o v 锄tm 印衄s e ，c 衙t h e c 廿0 np l a n e 蚴dm es h i ph e a da n d 协i 1s e c 石o np l 缸e 曲_ a l g 也髓d m o m e n t ；w h 髓n o n l h a rc o n d i t i o nn e x ts i 】d e g r e e so f 自e e d o mm a v e m e n tu n d e 增o e s ，c 跖t e r c d a np l a n ea n d 出i ph e a da n dt a ns e c d o np 1 蛐es 廿i m g i h 衄dm o m to ff 研c e 、v h e 士1u n d e 唱o e s ， t h e 锄d r e h i pg 锄e r a lp r e s s u r ed i s d b u d o f i n a l l y1 1 a sc a i r i e do nm ea n 8 l y s i st 0 也ec o m p l 曲e d r e s l l l t ，甜l d i n c l u d e st 0n o n - l i n e a rf h c 【o rc a r r i e so n 血ea n a l y s i s t h ea i l a l y s i so b l a i l l s ，也e s e c o n c l u s i o n sw i mm a n yc l 勰s i f i c a t i o ns o c i e d e s c o n l a t i o nc 唧m e dr e s u na r ec o l l s i s 馏t ，f u r 血e r c o n m m e dt h et l i r e ed i m e m i o n a lm e 吐l o dc o n l p a r e ss 砸pm e t h o ds u i t st 0t l l e1 a r g ec o n t a i n 盯s h i p m o v e m 锄ta r l dm ew a v el o a d sc o 脚u 【a t i o n k 呵w o r d ：r 越l k m es o u r c e s ，s h 币n 蜘0 n 礤掣龄，w 西v e l 凼，髓m d o m 血 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 论文的目的和意义 第1 章绪论 和船舶运动研究息息相关的一个研究领域是船舶在波浪中的载荷研究，船 舶在波浪上的运动理论是研究波浪载荷的理论基础之一。进行船舶结构分析时， 首先要确定作用在船体上的载荷，而结构分析的精度又很大程度地取决于波浪 载荷计算。因此，波浪载荷问题是船舶结构研究中非常重要的一个问题。 近年来集装箱船的装载在不断增加，目前已经发展到1 2 0 0 0 1 钆，其大型化 明显给船体结构和总纵强度设计带来了困难。除了总纵弯矩外，由于其大开口， 由扭矩产生的变形很大；前后各断面处不同的纵向变形引起高的翘蓝应力，由 于集装箱船的结构，机舱前周围位置绕曲应力相对较大；因此，大型集装箱船 还必须加强扭转强度的研究，船首外飘引起的波浪砰击，甲板上浪等研究。非 线性载荷出现在各种船体响应，如船体运动，船体力矩，以及船体压力，因此， 在最终设计载荷时非线性影响必须考虑进去；波长为o 3 5 l ，浪向角为1 2 0 度的 规则波为最主要的规则波条件。 在集装箱船运动和载荷计算与分析领域，虽然基于频域和概率的线性切片 理论已经取得了巨大成功，由于有许多实际的耐波性和结构载荷问题在线性理 论下得不到合理的解决，甲板上浪、外飘冲击力、首尾砰击等问题便是明显的 例子。由于忽略了非线性载荷，预报值和实际值之间有很大的差距。以上问题 表明了非线性问题的重要性，在集装箱船运动和载荷计算过程中必须考虑这些 非线性因素。另外一个同样突出的问题是船舶的三维性，在对水线下船体表面 动态压力的分析中，分别利用线性的二维方法和三维方法计算，二者存在较大 的差距。 集装箱船在波浪中运动的非线性因素主要可分为二大类，一是由水动力载 荷的复杂性和大幅横摇运动引起的不可忽略的非线性；二是由不同运动形式之 间的藕合产生，其中影响最大的则是横摇一纵摇和横摇一升沉的藕合，形成含 有参数激励非线性动力系统。这些非线性因素有可能是引起集装箱船在某些条 件下发生意外倾覆的重要原因。 大量的集装箱船模试验和实船测量结果表明，集装箱船在大幅波浪中的波 武汉理工大学硕士学位论文 浪载荷呈现明显的非线性特性。正确反映这一事实，对于船体总纵强度计算有 着特别重要的意义。自7 0 年代末期以来，国外学者采用“高阶理论”或“时历模拟” 方法，从事非线性波浪载荷的理论研究。近些年国内也相继开展了这方面的研 究工作，并取得了很大的进展。然而由于实际问题的复杂性，该领域内至今仍 有许多问题有待进一步的探讨和解决。在实际海况中，集装箱船运动受到诸多 因素的影响，严重的摇荡运动不仅会影响船舶的运营效率，甚至会造成结构毁 损或倾覆失事。研究集装箱船在波浪中的摇荡运动机理，主要是为设计耐波性 能良好的船舶提供可靠的依据。在考虑船舶耐波性的适居性、实际使用性、生 命力的三个主要评价指标中，如下指标是设计者必须考虑和关心的：六个自由 度的运动速度平均值或特征值、加速度特征值、运动速度和加速度的极值、甲 板淹湿、砰击和砰击负荷、波浪诱导振动、船体相当梁弯矩、船体挠度、局部 波浪负荷、所需功率的增加、螺旋桨空转和尾轴负荷、航向稳定性，上述指标 的影响因素非常广泛，其中每一项都有其专门的技术和理论，但有一点是肯定 的，确定这些因素的临界状态必须研究船舶与海浪的相互影响，也就是说，必 须对集装箱船在波浪上的运动状态进行研究。 综上所述，准确地对集装箱船运动和波浪载荷进行计算与研究，对保证船 舶安全性和运营经济性具有十分重要的意义。 1 2 船舶运动和波浪载荷的研究发展概述 船舶在波浪中的运动和载荷的研究已有百年的历史。早在十九世纪，傅汝 德( f r o u d e ，1 8 6 1 ) 2 1 1 和克雷洛夫( k r y l o v ，1 8 9 6 ) 0 2 1 就分别对横摇和纵向运动提出了 古典的运动理论。在他们的早期研究中，仅考虑了入射波浪对船体诱导的干扰 力，未考虑因船体的存在以及船舶运动对流场的影响。这部分只由入射波引起 的波浪干扰力即为现在所称的傅汝德一克雷洛夫力，或入射力，未被考虑的二个 力即为辐射力和绕射力。傅汝德和克雷洛夫的这些经典研究成为十九世纪末到 本世纪四十年代船舶摇摆运动研究的理论基础。 从四十年代起，人们开始致力于船舶摇荡流体动力理论的建立，试图通过 速度势的线性边值问题的建立和求解，把船舶存在及其运动对入射波流场的流 体动力影响考虑进去，从而更加合理地来描述船舶的摇荡运动。其中值得一提 的是哈斯金特( h a s k i n d ) 2 ”的研究，他应用格林定理构造由于船体存在和运动引 武汉理工大学硕士学位论文 起的扰动速度势，并推导了点源格林函数的表达式。按边界条件的提法，最终 得到求解速度势的积分方程，并用窄船假定进一步解出此方程。哈斯金特的一 个主要贡献是首次在线性理论范围内把流场中的扰动速度势分成绕射速度势和 辐射速度势分别求解，二者的线性迭加即为流场中的扰动速度势，这一分解直 到目前仍是处理摇荡问题中线性扰动势的典型处理方法。差不多与此同时，海 夫洛克( h a v e l o c k ) 删、厄塞尔( u r s e l l ) 8 5 等人也对速度势边值问题的求解进行了研 究。厄塞尔用多极展开法( m u l 卸0 1 ee x p a i l s i o nm e t h o d ) 0 8 求得了在静水中简谐强 迫振荡的圆柱体所受的流体作用力。 这些先驱的工作尽管在形式上很优美，但无论是窄船假定或圆柱体，与实 际船舶的形状都相去甚远，对这些理论的进一步发展和改进是五十年代以后的 事情。 到五十年代，船舶在波浪的运动的研究在两个方面有了重大突破。一个是 频谱分析方法的引入。1 9 5 3 年圣丹尼斯和皮尔逊将在通信理论中发展起来的处 理噪声的理论应用到波浪中船舶摇荡的研究中，提出了不规则海浪中船舶运动 计算的理论方法。根据这一理论，船舶摇荡运动不再被认为是一种确定性的过 程，而是一种随机过程，与海浪的随机性或不规则性联系在一起，从而使人们 在统计意义上从量的角度考察不规则海浪中船舶的摇荡运动。第二个进展是切 片理论在船舶摇荡问题中的应用。1 9 5 5 年科文克劳科夫斯基应用空气动力学的 细长体概念首次提出了处理摇荡问题的切片理论。这一理论假定船体是细长的， 可沿船长方向将船体分成若干段，各段上截面形状相同，对各截面来说，流动 可近似认为是二维的；按二维流动求得各横截面所受的流体作用力后，沿船长 方向积分便可得到船舶所受的总的流体作用力。切片理论之所以在五十年代以 后得到迅速的发展，在线性频域计算范畴中，切片理论是一个常用的实用方法， 它的计算结果与实验结果有良好的一致性，尤其对船舶纵向运动的估算，准确 程度更好一些。 严格意义上的船舶摇荡三维流体动力计算出现在七十年代。高速的大型电 子计算机相继问世及其迅猛发展，这三维计算的实现创造了条件。近年来，基 于势流理论的各类频域与时域三维线性分析方法层出不穷。对无航速的船舶( 包 括海洋工程结构物) 的流体动力和运动的研究比较多，如有福汀森和密恰尔森 ( f a l t 打培c na n dm i c h e l s e n ) 、张和卞( c 1 1 a 醒锄dp i e n ) 8 ”、盖里逊( g a r t i s o n ) 等 人的工作。船舶摇荡的三维计算方法目前正在进一步向现实性和经济性方向发 武汉理工大学硕士学位论文 展，包括引入有限元素法、各种杂交法等计算流体力学手段。 我们知道，频域理论和时域理论是研究船舶运动的二个重要手段。相对来 说，频域发展的历史比较长，在工程上应用较多。其频域的理论体系使得不规 则波中极值预报和疲劳损伤预报更加直观和方便，然而，当在船体结构设计中 考虑极端海况和最大生命期载荷等本质上是非线性的问题时，线性切片理论存 在着难以逾越的障碍。随着船舶运动的非线性效应逐渐引起人们的注意，一些 学者沿着实用化的道路对切片理论进行了非线性的推广。对于船舶运动的非线 性效应常用时域分析方法，相对频域方法，时域分析可以方便地处理瞬态问题、 时历响应及船体大幅度运动时的非线性运动问题。 尽管关于时域计算的某些基本原理及其理论基础提出并不算晚( c l 】m m i n s ， 1 9 6 2 ) 【3 0 】，但由于受到计算机运算速度的限制，直到1 9 7 9 年才由荷兰水池的奥 塔默森( o o r t e 锄e r s e n ) 9 ”在计算机上付诸实现。卡明斯的理论主要是基于脉冲响 应的概念，把任一船体运动的时间历经看作由一系列瞬时的小脉冲运动组成， 同时波浪力也可看作是一系列脉冲响应的线性迭加，从而建立起运动微分方程。 1 9 6 4 年，奥格维f o g i l v i e ) m 将卡明斯的思想推广到了有航速的情形，1 9 6 7 年魏 浩森( w e h 叭s e n ) m 1 重新表达了无航速船舶运动的初边值问题，并应用自由面 g r e e i l 函数导出相应的积分方程，使这一思想趋于完善。在奥塔默森实现了船舶 时域计算后，1 9 7 9 年查普曼( c h a p m a n ) 9 q 推广了卡明斯的方法，在线性理论的 前提下，用以计算二维物体大振幅的瞬态运动，1 9 8 1 年又进而推广到三维有航 速的情况。时域g r e e n 函数数值计算方法研究的深入和大容量高速度计算机的出 现，使三维线性时数值计算也成为可能，例如：b e c kl i a p i s ( 1 9 8 5 ，1 9 8 7 ) ”1 分别对 零速和有航速情形进行了辐射问题的数值计算，n 昌b e c k 锄dm a g e e ( 1 9 8 8 ) 【” ， 张亮和戴遗山( 1 9 9 2 ) ”7 1 分别提出了绕射问题的处理方法，并进行了数值计算。还 有大量研究体现在基于时域理论模式，并考虑三维因素的线性自由面条件下的 非线性问题以及所谓的完全非线性问题中。 三维水动力理论研究的方法主要为自由面g r e e n 函数方法和r a n k 疵源方法 ( 包括时域和频域) 。目前，已有许多三维船舶运动和波浪载荷预报的商业软件。 如挪威船级社( d n v ) 开发的s e s 妯订( 船舶强度计算系统) ，其中w a m 模 块和w a s 模块主要进行水动力计算，w 柚a m 是基于三维频率的船舶运动和 波浪载荷预报模块，主要解决零航速浮体( 海洋工程结构物) 的预报，w a s m 是瑚小，2 0 0 2 年推出的基于三维时域r a n k i n e 源方法速度势和方程的计算模块 武汉理工大学硕士学位论文 7 4 1 ，它可以对各种船型、船速进行计算和预报，其外载荷可以转换为有限元进 行结构分析；麻省理工大学( m i t ) 也开发了一些计算和预报软件，如s w a n 、 l a m p 、粼l t ，s w a n 是基于三维时域的系统，d n v 开发的s e s 舢诅系统中 水动力程序w a s i m 就是在它的基础上开发的。 i 。a m p 是一个多级船舶运动及 载荷计算系统，它可以进行二维、三维、线性、拟非线性四种情况下的计算， w a m 是基于三维频率的计算系统。 值得注意的是，近二、三十年来，在造船界出现了船舶水弹性力学的理论 模式，它统一处理船舶作为弹性体在水中的受力、运动和变形问题。水弹性力 学是从五十年代考虑声波引起的结构振动响应问题中发展起来的，近年来，船 舶水弹性力学成为各国学者研究的热点，从方法到程序以及试验研究都发展迅 猛。浮体水弹性力学将浮体结构力学和浮体水动力学有机地结合起来，为评估柔 性浮体结构的总体性能提供了一个更具一致性和合理性的方法。线性水弹性理 论已发展得较为成熟。线性理论着重研究小运动浮体及在流体中的结构频率特 征处于波频范围内或大于波频频段的弹性体。但在高海况条件下浮体作大幅运 动时其刚体运动引起的二阶力及瞬时湿表面变化引起的二阶流体力可能对浮体 产生较大的非线性影响。另外，当海洋浮体的尺度增加，远远超过常规船舶的尺度 对，他们的低频特征十分显著，在波浪中的运动也会不同于一般的浮体。在这些情 况下就有必要研究二阶及高阶波浪力对浮体水弹性响应的影响。值得一提的是， 由于船舶及海洋工程所处的流体有一些不同于声介质的特殊问题，使之在声介 质中的水弹性分析方法不能现存地搬到船舶中来，正因为这些特殊性，解决船 舶水弹性问题更多的困难在流体方面及耦合方面，而不在纯结构方面，也就是 说，实用的船舶水弹性力学，也是在水动力学有了充分的发展和必要的知识和 技术储备以后才发展起来的。 1 3 本文工作简介 本文使用w a s n v i 软件( 三维时域r 锄虹n e 源方法) 为超大型集装箱船直接 结构计算作了大量准备工作。该软件由挪威船级社( d n v ) 开发，主要进行水 动力计算，它可以对各种船型、船速进行计算和预报。主要计算功能包括： 1 总体响应：刚体运动、剖面力和力矩、指定点的相对运动： 2 船体压力：指定点压力、全船的总压力分布： 武汉理工大学硕士学位论文 3 外载荷自动转换为有限元进行结构分析：线性分析中的频域载荷、非线 性分析中的载荷时历。 第一阶段：本文首先对超大型集装箱船研究进展，国外船级社大型集装箱 船结构直接计算应用情况进行调查； 第二阶段：学习和消化使用w a s 订软件的基础上，计算一实船三维线性运 动和波浪载荷以及三维非线性运动和波浪载荷； 第三阶段：计算结果分析，并包括对其中的非线性因素进行分析。 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章大型集装箱船研究 2 1 集装箱船的发展 全球贸易的增长促进了集装箱船运输的发展。规模经济的影响则要求集装 箱船向大型化发展。自1 9 5 6 年4 月2 6 日第一艘集装箱船进行历史性的首航以 来，集装箱运输业务得到迅速的发展，并逐渐取代杂货船的地位，成为杂货运 输的主要力量。2 0 0 0 年集装箱运输已占杂货运输总量的7 0 。目前全球集装箱 船约3 0 0 0 艘，7 0 0 0 万总吨，占商船总吨位的n ，但是在1 9 9 5 年的时候仅为 5 。全球贸易的增长使得集装箱运输每年以6 _ 9 的速度增长。据业内人 士介绍，2 0 0 5 年全世界预计竣工的7 2 艘集装箱船舶中，4 0 0 0 标准箱以上的达 6 7 艘。从近期将要投入使用的集装箱船舶看，大型和超大型集装箱船舶已成为 主流。有关机构预测到2 0 4 0 年时，各种海上运输工具当中，集装箱船的通流量 将占踞首位。这些研究表明在未来的几十年中集装箱船运输将继续保持迅猛的 发展势头。 本世纪6 0 年代，横穿太平洋、大西洋的第一代集装箱船出世，但只有 1 7 0 0 0 2 0 0 0 0 总吨，可装载70 0 1 0 0 0 t e u 。进入7 0 年代，4 0 0 0 0 5 0 0 0 0 总吨集装 箱船的集装箱装载数增加到1 8 0 0 2 0 0 0 te u ，航速从第一代的2 3 节提高到2 6 2 7 节，这个时期的集装箱船被称为第二代。1 9 7 3 年石油危机过后第二代集装箱 船被视为不经济船型的代表，故而被第三代集装箱船取代，这代船的航速降低 至2 0 2 2 节，但船体尺寸增大，集装箱的装载数达到了3 0 0 0 t e u ，提高了运输 效率。 上世纪8 0 年代后期，集装箱船航速进一步提高，大型化的限度以能通过巴 拿马运河为准绳，集装箱装载总数增加到4 4 0 0 t e u ，这一时期的集装箱船被称 为第四代。由于采用了高强度钢，船舶重量减轻了2 5 ，新型大功率柴油机的 使用降低了燃料费，又由于船舶自动化程度的提高，减少了船员人数，进一步 提高了集装箱船经济性。 德国船厂最先建造的5 艘a p l c 1 0 型，可装载4 8 0 0 t e u 集装箱船，船长 船宽比为7 8 ，使船舶的复原力增大，被称为第五代集装箱船。此后，1 9 9 6 年春 武汉理工大学硕士学位论文 季竣工、最多可装载8 0 0 0 t e u 的r e h i n a m a c r sk 号集装箱船，又拉开了第六代 集装箱船的序幕。 目前，可装载1 0 0 0 0 t e u 以上的集装箱船已开工建造，1 2 0 0 0 - 1 5 0 0 0 t e u 的 集装箱船已完成了建造设计，载运量高达1 5 5 0 0 t e u ，甚至1 8 0 0 0 t e u 以上的超 巨型集装箱船也在设计之中。 集装箱船舶的大型化能带来经济效益，但是其发展也是受到一些条件的限 定的。制约集装箱船大型化的因素主要有船舶本身的技术因素、港口方面的因 素以及集装箱和集装箱绑扎的因素。船舶本身的技术因素是： 1 结构强度：超大型集装箱船的设计中结构强度，尤其是抗扭强度问题最 为突出。 2 稳性：船舶稳性的要求限制了集装箱的堆高。但大型集装箱船因宽度增 大因此改善了稳性。 3 舱口盖强度：受制于岸吊的起吊能力，舱口盖的强度不能无限制的扩大， 因而也制约了集装箱的堆高。 4 推进系统：受限制于单个主机功率以及单个艉轴强度。超大型集装箱船 的航速要求越来越高，对推进效率，主机马力、艉轴强度等要求都很高。 目前的超大型船为了增加箱容，多采用增加一列甲板箱位而不设甲板纵粱 的无纵梁设计，对于1 0 0 0 0 t e u 级船若采用无纵梁设计将在抗扭强度及舱口变形 方面遭遇更大的挑战。万箱船在舱口角隅，舱口围肘板，横舱壁等高载荷高应 力区域的疲劳强度是一大难题。 中运在川崎建造的6 艘5 2 5 0 t e u 的船，各种性能良好，尤其在节能方面较 为突出。但在美西航线运行时艏部出现较严重的变形。之后设计单位进行了重 新校核，发现完全满足规范。随后川崎重工做了大量研究，利用概率论的结构 强度直接设计及关西日本造船工程师学会提供的n b f d 方法，发现是规范要求 不能满足实际情况，并根据新方法对艏部重新加强后解决了此问题。因此对于 1 0 0 0 0 t e u 以上的船，在结构方面应谨慎运用规范，最好是大规模地采用直接设 计法。 大型集装箱船设计建造难度极大，长期以来，我国在大力发展船舶制造业 的同时，始终受到关键设计制造技术的限制，难以参与国际竞争，提升我国实 力。“十五”初期，针对我国提升船舶工业整体水平的实际需要，国家发展改革委 组织相关单位对集装箱船设计建造技术进行了专题研发，重点突破了超大型集 装船关键技术，实现了船舶制造方面的跨越式发展。中国船舶工业集团公司建 武汉理工大学硕士学位论文 造的8 5 3 0 t e u 超大型集装箱船进展顺利，这标志着我国己经具备了能够建造高 技术、高风险复杂船舶的技术实力，这是国内自行设计建造装箱量最多、技术 含量最高、难度最大的超大型集装箱船，使我国在大型集装箱船的设计建造上 迈上一个新台阶，成为世界上少数几个能够自行设计建造8 0 0 0 箱以上超大型集 装箱船的国家。目前，我国船舶研究和制造单位正积极开展9 2 0 0 t e u 、1 0 4 0 t e u 等集装箱船的研究开发工作，努力走在世界超大型集装箱船设计建造的前列。 2 2 国外船级社大型集装箱船结构直接计算应用情况 集装箱船大型化发展，使得船厂现有的技术能力达到极限。世界各大船级社 ( 如测a b s ，d n v ，g l 腻k 等) ，以及韩国和欧洲的主要船厂从9 0 年代末开始，均独 立或以合作的方式对未来超大型集装箱船设计建造问题展开了研究和评估。在 船舶结构设计方面，超大型集装箱船的设计几乎没有直接的使用经验可借鉴，并 且许多设计特点是在船级社现行规范的经验基础之外。因此，研究一方面借助在 大型油船和数货船上获得的经验，另一方面直接利用流体动力学来研究船体结构 强度。以减小破坏的风险。在船体的应力集中区域和高载荷区，如甲板结构、舱口 角隅、上层建筑和机舱位置、艏艉部区域、横向强度等，研究各方均进行了详细 的研究。近年来各大船级社及船厂对强度进行了方方面面的研究，公布了大量 的研发结果。从中可见如今的技术对于解决1 0 0 0 0 t e u 以上集装箱船的结构问题 是较有把握的。 德国劳氏船级社( g l ) 对集装箱船的结构设计已有5 0 年的经历，他们对新 一代集装箱船有一套相对比较先进、完整的直接计算的方法和步骤。g l 规定对 集装箱船关于波浪载荷的直接计算按下述三步进行：首先，采用线性切片理论 及北大西洋w a l d e n 的波浪长期统计资料进行船体垂向弯矩的长期预报，即求得 船体垂向波浪弯矩的长期预报曲线一弯矩随不同概率水平1o _ 1 1 0 。1 0 曲 线。其中航向角按每隔4 5 度等概率，然后取概率水平为1 0 。的垂向波浪弯矩值， 除以按不同波长搜索计算获得的弯矩传递函数最大值( r a o ) m a ) ( 求得最不 利海况下的“设计波浪”( 波高及波长) ；第二步，按非线性切片理论，用概率水 平为1 0 4 水的波浪垂向弯矩对应的波高和弯矩响应函数为最大值对应的波长来 计算非线性的区分出中拱、中垂的垂向波浪弯矩。第三步，按第一步计算的“设 计波浪”，以一定的航向角，并改变波长( 一般为短于船长) ，求得斜浪中的船体 垂向弯矩，水平弯矩及扭矩。或者是此条件下的船体个剖面的最大动压力，以 武汉理工大学硕士学位论文 供整船结构有限元计算分析。 美国船级社( a b s ) 据第一设计原则，其 s h d l a ( s a f e h u nd q a m i c l o a d i n g a p p r o a c h ) 于1 9 9 1 年引入规范中，除了传统的线性理论计算波浪 中的运动和动载荷，对于现代超大型集装箱船，还需要使用非线性的动载分析 工具，非线性的运动和载荷采用i ，a m p ( 功r g ea i n p l i t u d e m o t i o np r 0 孕锄) 程 序，非线性载荷结构分析采用n a s t r a n 程序。 a b s ( 美国) 结构动载荷设计计算法( d l a ) 设计流程图 8 0 】 图3 1传统规范设计和动态载荷设计方法比较 武汉理工大学硕士学位论文 日本船级社( n k ) 2 0 0 3 年公布了集装箱船船体结构强度指南【7 9 】( g u i d e l i n e s f o rc o n t a i n e rc a r r i e rs t m c n l r e s ) 包括： 1 直接强度计算指南( g 1 l i d e l i n e sf o r d i r e c t s 廿e n g 出a n a l y s i s ) 2 疲劳强度评价指南( g u i d e l i n e sf o r f a t i g l l es 仕g 出a 矗s e s s m e m ) 3 总纵弯曲极限强度评价指南( c h i d e l i i l e sf o ru l t i i n a t eh u l lg i r d e r s 仃e n g t l la s s e s s m e n t 在集装箱船耐波性研究中，中国船级社、日本船级社、印度船级社、韩国 船级社四家船级社碡钉目前对大型集装箱船结构直接计算应用的各种研究方法、 技术路进行了综合对比。研究中，采用三种3 d 线性方法( 频域格林函数法、时 域格林函数法、频域r 舢妇n e 源法) 来对船体运动、波浪载荷、水压力进行计算 并和切片法、试验结果比较。特别是针对扭矩，3 d 方法比切片法精度高、与实 验结果较一致。建议用3 d 方法计算大型集装箱船的运动和载荷。 该三种3 d 线性方法对船体横摇计算值相对垂荡和纵摇等运动要低，并且在 迎浪时船中剖面处船体载荷值要比实验值偏低。经分析，造成这一结果的原因 是：一、在相应波浪条件下，- 由在船首底部中心线处水压力和垂荡运动大于实 验值所引起；二、在相应波浪条件下，尽管实验波高较小，但首部外飘和砰击 发生以及正弯矩相对负弯矩有所增加。 1 大型集装箱船在波浪中的运动具有明显的非线性特征； 2 由于这种船型大开口，扭转刚度下降，使其结构强度除总强度外，扭转 强度成为突出矛盾，在斜浪中的扭矩最为明显； 3 由于显著的船首外飘特点，船的大幅度运动并伴随底部砰击所引起的非 线性载荷远比运动的非线性突出： 4 在高海情况下中剖面处弯矩出现中垂和中拱的不对称现象。 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章船舶运动和波浪载荷理论 基于该方法，同门师兄李毓江硕士曾在毕业论文中采用并计算了船舶大幅 度运动和载荷时域预报，在这里仅作简单阐述。 在切片理论中，主要处理的是线性问题。就是说速度势满足的控制方程和 边界条件都是线性化的；在求场内压力的拉格朗日积分式中也略去了非线性项。 当入射波是微幅波，船舶运动是小量时，线性化的假设是可以接受的。这时， 波浪与船体相互作用的力学系统即可视作是一个线性系统。在规则波入射波长 时间的作用下，系统达到稳态。船体所受的稳态流体作用力以及船舶的稳态运 动都是振荡的，振荡频率与入射波的振荡频率( 船舶有均匀航速时为遭遇频率) 一致，而且它们在一个周期中的平均值为零。在线性问题中，船舶本身的振荡 运动和波浪作用可以分别加以处理，于是有所谓的辐射问题和绕射问题。 船舶在波浪中的运动问题一直用线性动力学的方法进行研究，并己取得丰 硕的研究成果。然而船舶在波浪中运动，尤其在恶劣的海况下，实际存在着各 种非线性影响因素，如非线性复原力矩、非线性阻尼力矩、外飘力等，这是线 性动力学无法描述的，且船舶不同运动形式之间存在的耦合也无法用线性动力 学进行准确的描述。 常规的线性理论在入射波波幅及船舶运动都较小的假定下，业也证明对预 报船舶运动量值是很有效的。然而，大量的模型试验和实船测量结果表明，船 舶在大幅波浪中的运动和波浪载荷。呈现明显的非线性特性。因此船舶在波浪 中的大幅度运动的特性及其预报应受重视。这一方面的研究对进一步研究船体 波浪载荷、与波面的相对运动、甲板上浪、首尾砰击等性能有十分重要的意义。 非线性问题是耐波性计算的难点。在势流理论范畴内，波浪与船舶相互作 用的非线性主要来自三个方面： 1 压力方程中含有速度平方项带来的非线性项； 2 船舶运动瞬时湿表面的变化，即由于船体的几何形状引起的非线性的静 水回复力和物面与自由液面交线处的非线性； 3 自由面的非线性，即由于自由液面边界条件的非线性以及入射波的非线 武汉理工大学硕士学位论文 性带来的。 根据对上述非线性因素考虑的程度，非线性水动力的研究方法可分为四类： 1 一阶理论：水动力计算中仅考虑一阶力的贡献； 2 二阶理论：求解二阶势，在二阶的意义上完整地考虑二阶力； 3 物面非线性理论：自由面线性，物面条件在瞬时湿表面满足； 4 全非线性理论：完全满足非线性自由面和物面条件。 前两类理论都假定船舶绕其平衡位置作微幅运动 船舶在波浪上的运动是以刚体在无限介质中的运动方程为基础的，它可看 作是刚体一般运动理论的推广。 在惯性坐标系中，根据牛顿第二定理，船舶的运动可用下列公式描述： 专肘斗= ( j = 1 ，2 ，3 )公式( 2 1 ) o ，m 嗥= i u = 1 ，2 ，3 ) 公式( 2 - 2 ) 式中，m + ：船舶质量矩阵； j 。：惯性矩矩阵： ：为船舶质心在空间坐标系中的速度 吼：绕惯性轴旋转的角速度； f ：外力； r ：外力矩。 旋转角速度斑用下式计算： 哦= 冬 公式( 2 3 ) 式中，= 口，妒，科，口，妒，妒前面已经定义，分别为绕o z 轴、o y 轴、d = 轴旋转角位移； 1 s i n 妒曰| 占h = loc o s 伊c o s 妒s i n 吕l l os i n 目c o s 驴c o s 占l 公式( 2 4 ) 某一物理量在惯性坐标系中的时间导数和动坐标系中的时间导数具有如下 关系： 导；导+ 面x公式( 2 5 ) 石2 瓦+ x 公式2 5 武汉理工大学硕士学位论文 因此