（船舶与海洋工程专业论文）8500teu集装箱船整船弯扭强度分析.pdf

哈尔滨上程人学硕士学位论文 摘要 集装箱船是用于远洋运输的主流船型之一。由于其结构上的特殊性一货 舱的大开口，使得其在结构强度和变形等问题上不同于其它常规型船舶。要 得到比较精确的变形和应力结果，必须使用整船有限元结构分析。 本文以8 5 0 0 t e u 集装箱船为背景，采用整船结构有限元分析方法，首先 建立全船结构的有限元模型；再采用挪威船级社( d n v ) 的c s a 一2 ( c o m p u t a t i o n a ls h i p a n a l y s i s - - 2 ) 的思想，用三维流体动力计算程序进行了 波浪随机载荷预报，并在此基础上导出设计波参数组；最后，在全船有限元 模型上计算船体结构在各个设计波上的应力分布和变形，得出船体结构的详 细变形和应力结果。 本文详细阐述了进行整船有限元结构分析的全过程及方法，包括建立有 限元模型和质量模型，波浪诱导载荷的特点及分析，设计波的确定和集装箱 船弯扭强度的计算方法等。本文的分析方法以及所得到的船体结构有限元分 析结果对同类型集装箱船的设计和强度分析也有一定的参考价值。 本文中的计算采用了挪威船级社( d n v ) 的s e s a m 程序系统。 关键词：集装箱船；船体结构弯扭强度；有限元方法：波浪诱导载荷；设计 波。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 a b s t r a c t a san e wt y p eo fv e s s e l s ，t h ec o n t a i n e rv e s s e li sd i f f e r e n tf r o mn o r m a l v e s s e l so nt h es t r u c t u r a l s t r e n g t ha n dd e f o r m a t i o n , b e c a u s eo fi t s s t r u c t u r a l p a r t i c u l a r i t y t oa c q u i r ep r e c i s er e s u l t so ft h ed e f o r m a t i o na n ds t r e s s ，t h em e t h o d o f t h ee n t i r es h i ph u l lf ea n a l y s i sm u s tb eu s e d a sa l le x a m p l e ，c a l c u l a t i o no f t h e8 5 0 0 t e uc o n t a i n e rv e s s e li si n t r o d u c e di n t h i sa r t i c l e a tf i r s t ，a l le n t i r es h i pf em o d e la n dam a s sm o d e la r ef o r m e db yt h e f i n i t ee l e m e n tm e t h o do f t h ee n t i r es h i p t h e na c c o r d i n gt ot h et h o u g h to fc s a - 2 r e c o m m e n d e db yd n v , t h el o n g - t e r mp r e d i c t i o no fw a v ei n d u c e dm o t i o na n d l o a d i n gi sp e r f o r m e db yt h e3 dr a d i a t i o n - d i f f r a c t i n nh y d r o d y n a m i op r o g r a m ，a n d b a s e do nw h i c hag r o u po fd e s i g nw a v e sa r ed e f i n e d a tl a s t ，t h es t r e s sa n d d e f o r m a t i o ni ne a c hd e s i g nw a v eb a s e do nt h ef em o d e lo fe n t i r es h i ph u l la r e c a l c u l a t e d t h ed e t a i l e dd e f o r m a t i o na n ds t r e s si nt h em a i ns t r u c t u r a lm e m b e r so f s h i ph u l la r eo b t a i n e d t h ep r o c e d u r ea n dm e t h o do ff ea n a l y s i so ft h ee n t i r e s h i ph u l l a r e e x p o u n d e di nd e t a i l ，i n c l u d i n gf o r m i n gt h ef em o d e la n dt h en ! a s sm o d e l ，t h e p r o p e r t i e sa n da n a l y s i so ft h ew a v ei n d u c e dl o a d s ，t h em e t h o do fd e f i n i n gt h e d e s i g nw a v e s ，t h em e t h o do ff ec a l c u l a t i o nf o rt h ee n t i r es h i p ，a n ds oo n t h e a n a l y s i sm e t h o da n dt h er e s u l t so ff e ma n a l y s i si n t r o d u c e di nt h i s a r t i c l ea r e v a l u a b l ef o rt h ed e s i g na n ds t r e n g t ha n a l 徊so f t h es i m i l a rc o n t a i n e rv e s s e l s d n v ss e s a m p r o g r a mi sa p p l i e df o r t h es t r u c t u r a la n a l y s i si nt h i sa r t i c l e k e yw o r d s ：c o n t a i n e rv e s s e l ；s h i ps t r u c t u r a lb e n d i n ga n dt o r s i o ns t r e n g t h ； f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ；w a v ei n d u c e dl o a d ；d e s i g nw a v e 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导 下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文 献等的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中 已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集 体已经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献 的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意 识到本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ： 尹一j ，驾 _ 兰二二_ 一 日 期：友帕r 年5 - 月 日 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 引言 集装箱船是国际航运市场上的主要船型之一，因其装卸效率高、航速快 以及货物安全性好而备受市场的青睐，在航运市场上占有重要的地位。 为适应航运的规模效益，作为近年来发展最快的船型，集装箱船的大型 化发展趋势十分明显，目前，世界主要造船强国已经在进行1 0 0 0 0 t e u 以上 的超大型集装箱船的设计研究。随着我国船舶设计和建造水平的迅速提高， 我国在大型集装箱船的设计、建造方面也不断有所突破，其中，沪东中华造 船( 集团) 有限公司在该领域处于全国领先的水平，在近年来相继设计和建 造了1 7 0 0 t e u 、4 1 0 0 t e u 及5 6 0 0 t e u 集装箱船，并签订了8 5 0 0 t e u 集装箱 船的合同订单。 集装箱船具有大开口的技术特征，舱口宽度一般达到甚至超过船宽的 8 5 ，舱口长度可以达到舱壁间距的约9 0 ，使整船的扭转刚度远低于常规 船舶，在波浪载荷的作用下，除了总纵弯曲产生的船体弯矩影响船体强度外， 由于甲板大开口结构使船体扭矩对船体强度也产生了严重影响，整个船体的 扭转变形与翘曲应力十分突出。 利用大型结构分析软件，本文主要研究了弯扭联合作用下8 5 0 0 t e u 集 装箱船的全船结构应力水平，进行了包括波浪载荷直接计算和全船有限元计 算在内的结构强度分析，目的在于通过这些研究工作，全面了解该船的结构 强度和变形特点，迸一步验证大型集装箱船全船有限元分析的方法和步骤， 为今后类似船型的开发、设计及优化提供借鉴。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 2 研究背景 传统的船体结构分析分为两部分，一是全船总纵强度的简化分析，二是 船体局部强度分析。在总强度分析中，将船体简化为一根等效梁，复杂的船 体变成一条一维尺度的直线，而载荷也全部集中到这条代表剖面纵轴的直线 上，为得到强力构件的内力，采用了应力合成的方法，即将构件的内力分为 总弯曲应力和板架弯曲应力，分别计算后再进行合成。然而，实际的船体结 构是一个很复杂的三维箱形结构，其受力是相当复杂的，特别是波浪载荷的 不确定性，因此，将其人为地分开计算对集装箱船会带来较大的误差。 对于大型集装箱船，由于其自身的结构特点，船体剖面变化显著，因此 不能把船体当作一根等值梁来计算其总强度，而需要有一种能够考虑非等值 结构扭转响应的更加精确的船体梁分析方法，目前，国内外主要发展以薄壁 梁理论为基础的有限梁方法。薄壁梁理论在前期设计阶段可以起到一定的作 用，但是，对于波浪载荷，薄壁梁理论采用确定性的方法；而波浪载荷是随 机性的，因此这些由薄壁梁理论所得到的结果有很大的局限性，不能对船体 的各个部分给出较详细和准确的应力分布，往往有较大的误差。 随着计算机软硬件技术的发展，全船有限元分析技术使船体总强度分析 有了革命性的突破。全船有限元分析法将全船各主要构件按其受力状况分别 以膜、壳、梁、桁条等单元来表达，可以较真实地表达出全船结构的刚度特 性，通过有限元分析求解，可以求出各主要构件的实际变形与应力。采用全 船有限元分析法和波浪载荷的直接计算可以进一步提高计算结果的可信度。 本文的研究对象为8 5 0 0 t e u 集装箱船，该船为典型的大开口船型，其舱 口宽与型宽之比达到o 8 9 7 ，舱口长与货舱长度之比达到o 8 7 5 。该型船舶由 于甲板大开口的存在，其扭转强度受到严重削弱。在分析该类船体的结构强 度问题时，所考虑的关键因素是船体总体弯曲与扭转的耦合以及由此而产生 的弯曲与翘曲变形的合成应力。这一综合变形计算已经超越了传统总纵弯曲 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 计算方法的能力范围，必须采用全船有限元分析方法，辅以波浪载荷的直接 计算。 1 3 主要研究内容 本文主要运用了挪威船级社( d n v ) 的s e s a m ( s u p e r e l e m c m ts t r u c t u r e a n a l y s i sm o d u l e s ) 软件系统对8 5 0 0 t e u 集装箱船整船建立有限元模型，进 行全船弯扭强度分析，包括对其迸行了波浪统计预报，确定设计波，计算船 体应力分布。主要内容有： ( 1 ) 整理8 5 0 0 t e u 集装箱船的图纸和资料，分析其结构特点，利用 s e s a m 的子模块p a t r a n p r e 建立全船模型，包括几何模型、有限元模型、 流体动力计算模型和质量模型，然后将全船模型导入s e s a m 软件系统中。 ( 2 ) 利用挪威船级社( d n v ) 的s e s a m 软件系统的波浪载荷分析与响 应计算子模块w a d a m ，计算全船在一系列规则波上的流体动力载荷，包括 动压力在湿表面上的分布及其对指定截面的积分，形成载荷传递函数。 ( 3 ) 根据规范和指导性文件，利用上面得出的传递函数，以及挪威船级 社( d n v ) 的s e s a m 软件系统的进行计算结果统计处理的交互式图形后处 理器p o s t r e s p ，对计算结果进行统计处理和预报。通过长期预报，确定设 计波。 ( 4 ) 对于每一设计波，利用挪威船级社( d n v ) 的s e s a m 软件系统的 用于线性静力和动力结构分析的子模块s e s t r a 对全船结构进行计算求解。 ( 5 ) 利用挪威船级社( d n v ) 的s e s a m 软件系统的数据转换处理器 p r e p o s t 和有限元分析图形处理器x t r a c t ，对其结果以图形方式显示出 来，分析全船或局部有限元模型及其应力分布状况。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章全船有限元模型的建立 2 1 引言 对全船进行有限元分析，必须首先建立有限元模型。这是一项非常复杂 的基础工作。它是由技术人员根据实际船舶的结构形式、受力情况、精度要 求和计算的最终目的，运用结构力学和有限元知识，对实际结构进行简化， 选用适当类型的有限元加以模拟而得出的模型。 2 2 结构有限元模型 建立整船结构有限元模型是最基础的工作，它应能正确反映船体主要结 构的刚度特点，结构有限元模型由大量的节点及相同量级的单元组成，在这 些节点和单元上，施加重力、浮力、波浪力、以及惯性力。 对于大型船舶，其整船有限元模型是非常复杂而庞大的，这给建模工作 带来了一定的难度。因此可利用子结构技术，将全船划分成若干个子结构来 分别处理，然后再通过平移、镜射等手段将其组装起来，这样可以将各个子 结构交给不同的人同时来处理，可以有效充分地利用计算机资源，并可加快 进度。 对于有限元网格的划分应根据计算的目标和精度的要求，过细会给建模 和计算工作带来困难；过粗又会使计算结果不能表达细部的变形和应力。在 船体结构分析中，全船板材一般均用四节点的板壳元来模拟。但是在船舶的 艏、艉及舭部外板区域，由于有较大的双曲度，必须采用三角形的板壳元， 否则会因为单元的翘曲而使静力计算出现错误。 对于8 5 0 0 t e u 集装箱船，在总纵弯曲条件下，所有纵通构件，包括具有 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 一定长度的平台、纵舱壁、外板和桁材等均参与承受外力；所有横舱壁均承 受纵向构件传递的载荷，在受斜浪作用时保持一定的截面形状；船体艏、艉 结构是波浪载荷作用与传递的重要部分，它们都必须在模型中予以正确的表 达。另外，上层建筑对结构刚度及质量分布有一定的影响，因此也包括在全 船模型中 在建模过程中，本船按肋位和舱室，共划分为五个子结构( 子结构1 从 船艉一f r 8 6 ；子结构2 从f r 8 6 一f r 1 4 3 ；子结构3 从f r 1 4 3 - - f r 2 5 1 ；子结构 4 从f r 2 5 1 - - f n 3 5 9 ；子结构5 从f r 3 5 9 一船艏) 进行处理，全船有限元模型 由基本子结构模型组装而成。 全船板材均用四节点或三节点的板壳单元来模拟，并且用梁单元模拟了 纵向骨材和重要的横向骨材。有限元网格的大小保持在纵骨间距的量级水平， 因此结构单元较为精细和准确。整个模型共有1 3 0 ，8 8 8 个节点，2 3 8 ，1 8 4 个单 元。 全船构件厚度均按实际尺寸扣除了d n v 规范中规定的腐蚀余量，获得 的净尺寸为计算厚度。 全船结构有限元模型见图2 1 所示。 子结构模型见图2 2 图2 6 所示，为了显示清楚，图中只显示左舷。 图2 1 整船结构有限元模型 f i g 2 1e n t i r ev e s s e ls t r u c t u r a lf i n i t ee l e m e n tm o d e l 哈尔滨工程大学硕士学位论文 图2 2 子结构1 的有限元模型 f i g 2 2f i n i t ee l e m e n tm o d e lf o rs t r u c t u r el 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 图2 3 子结构2 的有限元模型 f i g 2 3f i n i t ee l e m e n tm o d e lf o rs t r u c t u r e2 7 啥尔滨工程大学硕士学位论文 图2 4 子结构3 的有限元模型 f i g 2 4f i n i t ee l e m e n tm o d e lf o rs t r u c t u r e3 8 。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 图2 5 子结构4 的有限元模型 f i g 2 5f i n i t ee l e m e n tm o d e lf o rs t r u c t u r e4 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 图2 6 子结构5 的有限元模型 f i g 2 6f i n i t ee l e m e n tm o d e lf o rs t r u c t u r e5 2 3 水动力计算模型 在本文的研究中，采用三维源汇理论计算波浪动压力载荷，为此需要建 立水动力计算面元模型。在p a t r a n p r e 程序系统中，将9 5 0 0 t e u 集装箱 1 0 哈尔滨工程大学硕士学位论文 船的船壳外表面定义为湿表面，然后将其导入到s e s a m 程序系统中，在波 浪载荷分析子模块w a d a m 中会自动确认为面元模型( p a n e lm o d e l ) 。 对于跨越水线面的船体外壳有限元网格，w a d a m 1 6 i 模块将其切分为水 线面以上和以下两部分。对于水线面以上的部分认为不受波浪水动压力。 在计算中，w a d a m 模块将每一个面元承受的波动压力自动影射到有限 元模型上。 2 4 质量模型 图2 7 湿表面模型图 f i g 2 7p a n e lm o d e l 为了计算船体重力载荷及其分布产生的力矩，需要全船质量分布资料。 研究船体在波浪上的运动，必须有正确的重量、重心位置、质量惯性矩等， 哈尔滨工程大学硕士学位论文 才有可能计算得到与实船相一致的运动性能。 通过调整全船结构有限元模型中构件单元的密度，可以由程序自动计算 结构重量。由于在模型中略去了一些次要的构件，且不含有固定设备的重量， 因此按照钢材真实密度计算得到的结构重量总是小于空船重量，重心位簧也 与空船重心不符。为此需要参照实际空船重量及其分布情况的资料，调整结 构模型各部分的材料密度值，使结构模型直接计算得到的结构自重与空船重 量相符。 + 对于船上冉勺货物及设备等其它装载重量，根据实际重量资料，将其分配 到相关的节点上，由各节点附加质量在重力加速度作用下产生节点重力，由 各节点质量构成的数据组，形成全船质量模型，并且全船的重量重心与浮心 位置在纵向上基本一致。这样计算得到的全船质量模型可以与实船的真实重 量分布基本致。 2 5 本章小结 复杂船体结构的模型化技术是进行全船有限元分析的基础。本章以 8 5 0 0 t e u 集装箱船为研究对象，详细介绍了全船有限元模型的建立过程，其 中子结构技术的运用加快了结构建模工作的进度，水动力计算模型为波浪载 荷分析奠定了基础，而质量模型的建立使得最终的计算结果能较准确地反映 出实船的重力和惯性力的真实分布。 1 2 哈尔滨工程大学硕+ 学位论文 3 1引言 第3 章波浪诱导载荷预报 影响船体总体强度的外载荷主要由重力、静水浮力和波浪力三项组成。 前两项是比较明确的，它们主要取决于船舶的型线、吃水以及装载工况。只 有波浪引起的船体载荷是随机统计量，需要根据现有的海洋波浪统计资料， 将船舶置于海洋波浪环境中，计算其在波浪上的运动和诱导载荷。 由于海洋波浪是不规则的，它包含着复杂的谐波成分，且与船舶在不同 方向遭遇。因此，首先需要研究本船在各种规则波上的响应特性，其次再研 究本船在不规贝4 波上的运动响应与诱导载荷，并结合国际海洋观测统计资料， 作出本船在其指定海域内航行时运动与载荷响应的长期预报，从而对本船所 承受的波浪载荷作出较为精确的描述。 3 2 传递函数的计算及分析 3 2 。1 运动参考坐标系及响应变量 在船舶的摇荡运动计算中，运动参考坐标系的坐标原点取在中纵剖面、 水线面及重心所在的横剖面三面相交处的交点：x 轴位于中纵剖面，指向船 艏；y 轴指向左舷；z 轴垂直于水线面向上。船舶航行于海上，可以产生六 个自由度的刚体运动，在船舶的截面上可以产生六个方向的波浪诱导载荷。 波浪诱导船体运动和载荷与运动坐标系的关系如表3 1 所示。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 表3 1 波浪诱导运动和载荷与坐标系的关系 自由度 l x2 y3 一z 4 一r x5 - - r y 6 - - r z 运动分量纵荡横荡垂荡横摇纵摇首摇 载荷分量轴向力水平剪力垂直剪力扭距垂直弯矩水平弯矩 3 2 2 波浪诱导载荷参考截面 8 5 0 0 t e u 集装箱船在自身结构上的特点，决定了研究船体的受扭响应是 分析其强度的主要工作。因为波浪诱导最大扭距通常出现在非船舯区域，所 以，不能只考虑船舯剖面。根据以往的研究经验，本文选取了距尾垂线1 4 l 处、l ，2 l 处、3 4 l 处的三个截面考虑其波浪诱导载荷。 3 2 3 频率和浪向 为了观察可能遭遇到的不同浪向对船体的影响，以及谱分析中所需的传 递函数，需要计算各种有意义的波长( 频率) 的规则波对船体的作用。为此， 在本文的研究中，从o 0 5 r a d s 1 5 r a d s ，间隔0 0 5 r a d s ，共选取3 0 个频率。 表3 2 列出了全部频率对应下的波长，同时也列出了波长与船长之比。 同时，为了观察不同浪向角的波浪对船体运动和诱导载荷的影响规律， 共选取了1 9 个浪向角：0 。1 8 0 0 ，间隔1 0 0 。浪向角的方向：沿船长方向指向 船艏为0 。，指向船尾为1 8 0 0 ，指向左舷为9 0 。在长期预报中认为这1 9 个浪 向以等概率作用在船体上的。 波频缈与波长力的关系按名：竺孥 国 1 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 表3 2 计算规则波的频率与波长 频率( r a d s )周期( s )波长( m )波长船妖 0 0 51 2 5 6 62 4 6 5 5 3 27 7 0 5 0 16 2 8 36 1 6 3 8 31 9 2 6 0 1 5 4 1 8 72 7 3 9 4 8 8 5 6 1 0 23 1 4 21 5 4 0 9 54 8 2 o 2 52 5 1 29 8 6 2 13 0 8 2 0 3 2 0 9 46 8 4 8 72 1 4 o 3 5 1 7 9 45 0 3 1 71 5 7 2 o 41 5 7 1 3 8 5 2 4 1 2 0 o 4 51 3 9 63 0 4 3 9o 9 5 o 51 2 5 72 4 6 5 50 7 7 0 5 51 1 - 4 22 0 3 7 60 6 3 7 o 61 0 4 71 7 1 2 2o 5 4 0 6 59 6 61 4 5 8 90 4 5 6 0 78 9 81 2 5 7 90 3 9 o 7 58 3 71 0 9 5 80 3 4 o 8 7 8 5 9 6 3 l 0 3 0 o 8 57 3 98 5 3 10 2 6 7 o 96 9 87 6 1 0o 2 4 f o 9 56 6 l6 8 3 00 2 l 1 06 2 86 1 6 40 1 9 1 0 55 9 85 5 9 10 1 7 5 1 15 7 15 0 9 40 1 6 1 1 55 4 6 14 6 6 10 1 4 6 1 25 2 44 2 8 0o 1 3 1 2 5 5 0 23 9 4 5 0 1 2 3 1 3 4 8 3 3 6 4 70 1 1 1 3 54 6 53 3 8 20 1 0 6 1 44 4 93 1 4 50 0 9 8 1 4 54 3 32 9 3 20 0 9 2 1 5 4 1 92 7 3 9 0 0 8 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 3 2 4 传递函数的计算结果 传递函数是船体在单位波幅的简谐波作用下的船体响应。本文应用了 w a d a m 子模块进行了传递函数的计算。 图3 1 图3 1 2 为满载状态下船体纵摇、垂荡、横摇、纵荡、横荡和艏 摇这六种运动在1 9 个浪向上的传递函数；图3 1 9 图3 3 0 为压载状态下船 体纵摇、垂荡、横摇、纵荡、横荡和艏摇这六种运动在1 9 个浪向上的传递函 数。 在本文的研究中，参考d n v 的c s a - 2 的要求，取以下主要载荷参数：截 面l ( 1 4 l ) 和截面3 ( 3 4 l ) 处的扭矩，截面2 ( i 2 l ) 处的弯矩。图3 1 3 图3 1 8 为满载状态下船体波浪诱导垂直弯矩、扭矩在这三个截面上的传递函 数；图3 3 1 图3 3 6 为压载状态下船体波浪诱导垂直弯矩、扭矩在这三个截 面上的传递函数。 1 6 豳3 1 满载状态下垂荡( h e a v e ) 的传递函数( 0 0 r 9 0 0 ) f i g 3 1t r a n s f e rf u n c t i o no fh e a v em o t i o na tf u l ll o a d sc a s e 图3 2 满载状态下垂荡( h e a v e ) 的传递函数( 9 0 0 1 8 0 0 ) f i g 3 2t r a n s f e rf u n c t i o no fh e a v em o t i o na tf u l ll o a d sc a s e 1 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 图3 3 满载状态下纵摇( p i t c h ) 的传递函数( 0 0 9 0 0 ) f i g 3 3t r a n s f e rf u n c t i o no fp i t c hm o t i o na tf u l ll o a d sc a s e 图3 4 满载状态下纵摇( p i t c h ) 的传递函数( 9 0 0 1 8 0 0 ) f i g 3 4t r a n s f e rf u n c t i o no fp i t c hm o t i o na tf u l ll o a d sc a s e 1 8 图3 5 满载状态下横摇( r o l l ) 的传递函数( 0 0 9 0 0 ) f i g 3 5t r a n s f e rf u n c t i o no fr o l lm o t i o na tf u l ll o a d sc a s e 幽3 6 满载状态卜横摇( r o l l ) 的传递函数( 9 0 0 1 8 0 0 ) f i g 3 6t r a n s f e rf u n c t i o no fr o l lm o t i o na tf u l ll o a d sc a s e 1 9 图3 7 满载状态下纵荡( s u r g e ) 的传递函数( o o 9 0 0 ) f i g 3 7t r a n s f e rf u n c t i o no fs u r g em o t i o na tf u l ll o a d sc a s e 图3 8 满载状态下纵荡( s u r g e ) 的传递函数( 9 0 0 1 8 0 0 ) f i g 3 8t r a n s f e rf u n c t i o no fs u r g em o t i o na tf u l ll o a d sc a s e 哈尔滨工程大学硕士学位论文 图3 9 满载状态下横荡( s w a y ) 的传递函数( o 。9 0 0 ) f i g 3 9t r a n s f e rf u n c t i o no fs w a ym o t i o na tf u l ll o a d sc a s e 图3 1 0 满载状态下横荡( s w a y ) 的传递函数( 9 0 0 1 8 0 0 ) f i g 3 1 0t r a n s f e rf u n c t i o no fs w a ym o t i o na tf u l ll o a d sc a s e 2 l 哈尔滨工程大学硕士学位论文 图3 1 1 满载状态下首摇( y a w ) 的传递函数( o o 9 0 0 ) f i g 3 儿t r a n s f e rf u n c t i o no fy a wm o t i o na tf u l ll o a d sc a s e 图3 1 2 满载状态下首摇( y a w ) 的传递函数( 9 0 0 1 8 0 0 ) f i g 3 1 2t r a n s f e rf u n c t i o no fy a wm o t i o na tf u l ll o a d sc a s e 哈尔滨工程大学硕士学位论文 图3 1 3 满载状态下截面i 扭矩的传递函数( 0 0 - 9 0 。) f i g 3 1 3t r a n s f e rf u n c t i o no ft o r s i o nm o m e n to fs e c t i o nla lf u l ll o a d sc a s e 图3 1 4 满载状态下截面1 扭矩的传递函数( 9 0 0 1 8 0 0 ) f i g 3 1 4t r a n s f e rf u n c t i o no ft o r s i o nm o m e n to fs e c t i o n1a tf u l ll o a d sc a s e 哈尔滨工程大学硕士学位论文 图3 1 5 满载状态下截面2 垂直弯矩的传递函数( 矿9 0 0 ) f i g 3 1 5t r a n s f e rf u n c t i o no fv e r t i c a lb e n d i n gm o m e n to fs e c t i o n2 a tf u l ll o a d sc a s e 图3 1 6 满载状态下截面2 垂直弯矩的传递函数( 9 0 0 1 8 0 0 ) f i g 3 1 6t r a n s f e rf u n c t i o no fv e r t i c a lb e n d i n gm o m e n to fs e c t i o n2 a tf u l ll o a d sc a s e 堕笙堡三墨奎兰堡主堂垡丝茎 图3 1 7 满载状态下截面3 扭矩的传递函数( 0 0 - 9 0 0 ) f i g 3 1 7t r a n s f e rf u n c t i o no ft o r s i o nm o m e n to fs e c t i o n3 a tf u l l1 0 a d sc a s e 图3 1 8 满载状态下截面3 扭矩的传递函数( 9 0 0 1 8 0 0 ) f i g 3 1 8t r a n s f e rf u n c t i o no ft o r s i o nm o m e n to fs e c t i o n3 a tf u l ll o a d sc a s e 哈尔滨工程大学硕士学位论文 图3 1 争压载状态下垂荡( h e a v e ) 的传递函数( o o 9 0 0 ) f i g 3 1 9t r a n s f e r f u n c t i o no fh e a v em o t i o na tb a ll a s tl o a d sc a s e 图3 2 0 压载状态下垂荡( h e a v e ) 的传递函数( 9 0 0 1 8 0 0 ) f i g 3 2 0t r a n s f e rf u n c t i o no fh e a v em o t i o na tb a l l a s tl o a d sc a s e 哈尔滨工程大学硕士学位论文 图3 2 1 压载状态下纵摇( p i t c h ) 的传递函数( o o 9 0 。) f i g 3 2 1t r a n s f e rf u n c t i o no fp i t c hm o t i o na tb a l l a s tl o a d sc a s e 图3 2 2 压载状态下纵摇( p i t c h ) 的传递函数( 9 0 0 1 8 0 0 ) f i g 3 2 2t r a n s f e rf u n c t i o no fp i t c hm o t i o na tb a l l a s tl o a d sc a s e 哈尔滨工程大学硕士学位论文 图3 2 3 压载状态下横摇( r o l l ) 的传递函数( 0 。9 0 。) f i g 3 2 3t r a n s f e rf u n c t i o no fr o l lm o t i o na tb a l l a s tl o a d sc a s e 图3 2 4 压载状态下横摇( r o l l ) 的传递函数( 9 0 0 - 1 8 0 0 ) f i g 3 2 4t r a n s f e rf u n c t i o no fr o l lm o t i o na tb a l l a s tl o a d sc a s e 图3 2 5 压载状态下纵荡( s u r g e ) 的传递函数( o o 9 0 0 ) f i g 3 2 5t r a n s f e rf u n c t i o no fs u r g em o t i o na tb a l l a s tl o a d sc a s e 图3 2 6 压载状态下纵荡( s u r g e ) 的传递函数( 9 0 。1 8 0 0 ) f i g 3 2 6t r a n s f e rf u n c t i o no fs u r g em o t i o na tb a l l a s tl o a d sc a s e 哈尔滨工程大学硕士学位论文 图3 2 7 压载状态下横荡( s w a y ) 的传递函数( 0 0 9 0 0 ) f i g 3 2 7t r a n s f e rf u n c t i o no fs w a ym o t i o na tb a l l a s tl o a d sc a s e 图3 2 8 压载状态下横荡( s w a y ) 的传递函数( 9 0 0 1 8 0 。) f i g 3 2 8t r a n s f e rf u n c t i o no fs w a ym o t i o na tb a l l a s tl o a d sc a s e 哈尔滨工程大学硕士学位论文 图3 9 9 压载状态下首摇( y a w ) 的传递函数( 0 a 9 0 0 ) f i g 3 2 9t r a n s f e r f u n c t i o no fy a wm o t i o na tb a l l a s tl o a d sc a s e 圈3 3 0 压载状态下首摇( y a w ) 的传递函数( 9 0 0 1 8 0 0 ) f i g 3 3 0t r a n s f e rf u n c t i o no fy a wm o t i o na tb a l l a s tl o a d sc a s e 3 l 啥尔滨工程大学硕士学位论文 图3 3 1 压载状态下截面l 扭矩的传递函数( o o 9 0 0 ) f i g 3 3 1t r a n s f e rf u n c t i o no ft o r s i o nm o m e n to fs e c t i o n1 a tb a l l a s tl o a d sc a s e 图3 3 2 压载状态下截面1 扭矩的传递函数( 9 0 0 1 8 0 0 ) f i g 3 3 2t r a n s f e rf u n c t i o no ft o r s i o nm o m e n to fs e c t i o nl a tb a l l a s tl o a d sc a s e 哈尔滨工程大学硕士学位论文 图3 3 3 压载状态下截面2 垂真弯矩的传递函数( o o 9 0 0 ) f i g 3 3 3t r a n s f e rf u n c t i o no fv e r t i c a lb e n d i n gm o m e n to fs e c t i o n2 8 tb a l l a s tl o a d sc a s e 图3 3 4 压载状态下截面2 垂直弯矩的传递函数( 9 0 0 1 8 0 0 ) f i g 3 3 4t r a n s f e rf u n c t i o no fv e r t i c a lb e n d i n gm o m e n to fs e c t i o n2 a tb a l l a s tl o a d sc a s e 哈尔滨工程大学硕士学位论文 图3 3 5 压载状态下截面3 扭矩的传递函数( 0 0 9 0 0 ) f i g 3 3 5t r a n s f e rf u n c t i o no ft o r s i o nm o m e n to fs e c t i o n3 a tb a l l a s tl o a d sc a s e 图3 3 6 压载状态下截面3 扭矩的传递函数( 9 0 0 1 8 0 0 ) f i g 3 3 6t r a n s f e rf u n c t i o no ft o r s i o nm o m e n to fs e c t i o n3 a tb a l l a s tl o a d sc a s e 哈尔滨工程大学硕士学位论文 3 2 5 传递函数的计算结果分析 在船体六个自由度刚体运动中，对作业影响严重的运动是垂荡、纵摇和 横摇。通过对两种工况下的传递函数曲线的分析，可知； ( 1 ) 在两种工况下，较大的垂荡、横摇和纵摇运动幅值主要集中出现 在0 3 r a d s o 7 r a d s 之间的波浪频率范围内，波长范围大约在1 5 0 m 6 0 0 m 之间。在o 4 o 6 r a d s 附近( 波长2 0 0 m 3 5 0 m ) ，即当集装箱遭遇的波长与 船长( 垂线间长3 2 0 m ) 相近时，运动响应幅度达到最大。 ( 2 ) 满载工况下传递函数的峰值区域要比压载工况下传递函数的峰值 区域要尖锐；满载工况下传递函数最大值对应的波浪频率要小于压载工况下 传递函数最大值对应的波浪频率。这是因为船体在满载状态下的总惯性矩总 是大于压载状态的总惯性矩，从而满载状态的固有周期总是大于压载状态的 固有周期，则满载状态的固有频率总是小于压载状态的固有频率。 ( 3 ) 压载工况下的垂荡、横摇和纵摇运动响应幅度均比满载工况下相 应的运动响应幅度小。纵荡响应幅度相差不大。 ( 4 ) 压载工况下的截面诱导载荷弯矩幅值比满载工况下相应的截面诱 导载荷幅值要小；而扭矩幅值比满载工况下相应的截面诱导载荷扭矩幅值要 大。 表3 3 和表3 4 分别列出了满载状态和压载状态下各种响应相应的最不利 的浪向和波频以及传递函数幅值。根据表中的传递函数，可以确定对船体最 不利的波浪( 频率和浪向) ，用于确定设计波参数。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 表3 3 在满载状态下最不利的波浪及传递函数最大幅值 最不利的波浪传递函数 响应变量 浪向( 。)频率( r a d s )幅值相位( o ) 垂荡9 0o 61 2 2 5 m1 4 6 6 4 纵摇 7 0o 6 50 7 1 6 06 9 1 3 5 横摇 9 00 3 51 2 6 3 0 9 0 4 8 2 截面l 扭矩( n m )8 0o 94 1 4 2e + 0 71 4 1 4 7 9 8 8 截面2 垂直弯矩( n m ) 1 8 00 4 57 1 6 7e + 0 83 0 3 截面3 扭矩( n m ) 7 0o 88 7 le + 0 71 2 7 7 4 6 表3 4 在压载状态下最不利的波浪及传递函数最大幅值 最不利的波浪传递函数 响应变量 浪向( o )频率( r a d s )幅值相位( o ) 垂荡9 0 o 6l0 1 6 m - 3 6 7 3 纵摇 1 l oo 。6 50 7 9