（船舶与海洋结构物设计制造专业论文）大型集装箱船疲劳强度直接计算研究.pdf

上海交通大学暨沪东中华造船集团博士后研究报告 大型集装箱船疲劳强度直接计算研究 摘要 8 5 3 0 t e u 集装箱船是沪东中华造船集团承接的我国第一艘8 0 0 0 箱级超大型 集装箱船，其结构尺度和货舱大开口都显著超过国内船厂以往建造的集装箱船。 本文依据d n v 和a b s 船级社的相关规范和软件，对该船甲板大开口结构疲劳强 度及双层底和舷侧结构纵骨节点疲劳强度进行了评估。本文工作主要包括以下 几个方面的内容； 1 对8 5 3 0 t e u 集装箱船船舶运动与波浪载荷进行了计算分析。基于三维线性 势流理论，应用d n v 船级社w a d a m 程序对8 5 3 0 t e u 集装箱船进行了船舶运 动与波浪载荷进行计算分析，为后续的船体弯扭强度有限元分析和疲劳强 度分析打下基础。 2 应用d n v s e s a m 软件对8 5 3 0 t e u 集装箱船弯扭强度进行了整船有限元分析。 计算研究了多种工况下8 5 3 0 t e u 集装箱船构件的应力分布与数值后，通过 对计算结果的分析和研究，对本船的强度特点，结构设计的优劣作出分析 并提出了进一步优化结构的建议。 3 根据d n v 相关指导性文件完成了舱口角隅疲劳强度的直接计算和简化计算， 讨论了波浪散布图对疲劳寿命计算结果的影响。本文采用的疲劳强度直接 计算方法，在整船粗网格模型中直接建立疲劳校核区域的细化网格模型， 采用设计波法进行整船有限元直接计算，搜索得到该舱口角隅处各工况下 的最大应力范围，最后基于s - n 曲线法对其进行疲劳强度评估。 4 应用9 n v n a u t i c u s 软件完成了纵骨节点疲劳寿命棱核，应用a b s s 虾e h u l l 软件对其中靠近船中区域的剖面进行了纵骨节点疲劳寿命校核。对于不满 足疲劳强度要求的纵骨节点给出了改进疲劳寿命的措施。 关键词：集装箱船，疲劳强度，疲劳寿命，舱口角隅，纵骨，挪威船级社。美 国船级社 摘要 s t u d yo nf a t i g u es t r e n g t h a n a l y s i so fl a r g ec o n t a i n e rs h i p s a b s t r a c t 8 5 3 0 t e uc o n t a i n e rs h i pi st h ef i r s t8 0 0 0 t e us i z es u p e rl a r g ec o n t a i n e rs h i p w h i c hw i l lb ec o n s t r u c t e di nc h i n ab yh u d o n g - z h o n g h u as h i p b u i l d i n gc o r p o r a t i o n t h es c a n t l i n g sa n dh a t c ho p e n i n g sr e m a r k a b l ye x c e e do t h e rc o n t a i n e rs h i p st h a th a v e e v e rc o n s t r u c t e di nd o m e s t i cy a r d s a c c o r d i h gt ot h ed n va n da b sr u l e sa n d s o f t w a r e s ，t h ef a t i g u es t r e n g t ho fh a t c hc o m e r sa n dl o n g i t u d i n a l si nd o u b l eb o t t o m a n ds i d es t r u c t u r e sa r e a s s e s s e d t h em a j o rw o r ki sa sf o l l o w s ： c a l c u l a t i o no fs h i pm o t i o n sa n dw a v el o a d so ft h e8 5 3 0 t e uc o n t a i n e rs h i p b a s e do nt h et h r e ed i m e n s i o n a ll i n e a rp o t e n t i a lt h e o r y t h ed n v f w a d a mp r o g r a m i sa p p l i e dt oc a l c u l a t et h es h i pm o t i o n sa n dw a v el o a d so ft h ev e s s e l ，w h i c hp r o v i d e s u s e f u ld a t af o rt h ef o l l o w i n gf e ma n a l y s i sa n df a t i g u es t r e n g t ha n a l y s i s g l o b a lh u l la n a l y s i so ft h e8 5 3 0 t e uc o n t a i n e rs h i p t h ed n v ，s e s a m s o f t w a r ei sa p p l i e dt od oag l o b a lh u l lf e ma n a l y s i sf o ra s s e s s i n gt h eb u c k l i n ga n d t o r s i o ns t r e n g t ho ft h es h i ps t r u c t u r e 。a f t e rg e t t i n gt h es t r e s sd i s t r i b u t i o no ft h es h i p s t r u c t u r ei nd i f f e r e n tl o a dc a s e s ，s o m es u g g e s t i o n sa r ep r e s e n t e dt oo p t i m i z et h e s t r u c t u r a ld e s i g n f a t i g u es t r e n g t ha n a l y s i so fh a t c hc o r n e r sb a s e do nd i r e c tc o m p u t a t i o na n d s i m p l i f i e dc o m p u t a t i o n a c c o r d i n gt ot h ed n v r u l e sa n dc l a s s i f i c a t i o nn o t e s ，t h e d i r e c tc o m p u t a t i o na n ds i m p l i f i e dc o m p u t a t i a nm e t h o da r ea d o p t e dt oa s s e s st h e f a t i g u es t r e n g t ho fh a t c hc o m e r s ，a n dt h ei n f l u e n c eo fd i f f e r e n tw a v es c a t t e rd i a g r a m i sd i s c u s s e d 。i nt h ed i r e c tc o m p u t a t i o nm e t h o d ，t h ef i n em e s hm o d e lo ft h ef a t i g u e c h e c k i n ga r e ai sl o c a t e di nt h eg l o b a lc o a r s em e s ha n dt h em a x i m u ms t r e s sr a n g ei s s e a r c h e da p p l y i n gd e s i g nw a v em e t h o d ，t h e nt h es - nc u r v ea n dp mr u l ea r eu s e dt o c a l c u l a t et h ef a t i g u el i f eo f t h eh o ts p o t f a t i g u es 廿e n g t ha s s e s s m e n to fl o n g i t u d i n a l s t h ed n v n a u t i c u s s o f t w a r ei s a p p l i e dt o c h e c kt h ef a t i g u el i f eo fl o n g i i u d i n a l sm a da sac o m p a r i s o nt h e a b s s a f e h u l ls o f t w a r ei sa p p l i e dt oc h e c kt h ef a t i g u el i f eo fl o n g i t u d i n a l sn e a r m i d d l es h i ps e c t i o n s o m es u g g e s t i o n sa r em a d et oi m p r o v et h ef a t i g u el i f eo ft h o s e l o n g i t u d i n a ls t i f f e n e r sw h i c hd on o tm e e tt h ef a t i g u es t r e n g t hc r i t e r i ad e m a n d e db y r u l e s k e yw o r d s ：c o n t a i n e rs h i p s ，f a t i g u es t r e n g t h ，f a t i g u el i f e ，h a t c hc o m e r s ，l o n g i t u d i n a l s d n v , a b s 上海交通大学暨沪东中华造船集团博士后研究工作报告 1 ，1 概述 第1 章绪论 集装箱船作为海上货物运输的一种主要船型。航速高、装卸快、停靠码头 时间短，越来越受到航运界和造船界的重视。集装箱船的拥有数量和总吨位已 经成为一个国家海上运输能力的重要标志之一。集装箱船向超大型化趋势发展， 是国际集装箱贸易迅速发展的需要，也是科技发展的必然结果。2 0 0 2 年，沪东 中华造船集团在国家有关部门的支持下，开展“大型集装箱船设计研究”并确 定以7 i o o t e u 为目标。2 0 0 3 年，世界上掀起了一股订造8 0 0 0 t e u 级超大型集装 箱船的热潮( 2 0 0 2 年底尚无8 0 0 0 t e u 级订单) 。8 0 0 0 t e u 级集装箱船一面世即 以良好的经济性深受各国船东的青睐，我国两大船东也先后表达了欲建造该型 船的愿望。结合这一新形势，沪东中华造船集团在成功斤发7 1 0 0 t e u 集装箱船 基础上，立项设计开发8 0 0 0 t e u 级集装箱船，并于2 0 0 4 年与中国海运( 集团) 集装箱运输公司签订了建造合同。 船舶在波浪中航行及装载状态常常变化，使船舶构件长期处于交变应力状 态下，这种周期性变化载荷的累积效应造成船舶结构疲劳破坏。自从钢材作为 船体材料以来，由疲劳损伤为主要原因而造成的海损事故屡屡发生。如，二次 世界大战期间建造的近5 0 0 0 艘货船中有1 0 0 0 多艘由于裂纹而破损，美国海岸 警卫队船舶结构委员会报告中，给出了船龄从几年到3 0 多年共4 l 艘散货船、 油船和集装箱船发生裂纹的情况“3 。船舶结构的疲劳强度问题，已是确保船体结 构安全可靠的主要问题之- 。 疲劳破坏与静强度破坏有着本质的区别，静强度破坏是由于构件的危险截 面中产生过大的残余变形而最终断裂，疲劳破坏是由于构件在循环应力作用下 形成微裂纹或构件已经存在缺陷，然后这些裂纹或缺陷逐渐扩大成宏观裂纹， 裂纹再继续扩展丽最终导致断裂。疲劳破坏有如下特点： ( 1 ) 疲劳断裂是由于循环应力反复作用导致的，发生疲劳断裂时循环应力 中的最大应力远比静应力下材料的抗拉强度极限低，甚至比材料屈服极限低得 多的情况下产生疲劳破坏。 ( 2 ) 不论是脆性材料还是延性材料，其疲劳断裂在宏观上均表现为无明显 第1 章绪论 塑性变形的脆性突然断裂，故疲劳断裂一般表现为低应力脆断。 ( 3 ) 疲劳破坏是在循环应力多次反复作用下产生，因而它不是在短时间内 发生的，而要经历一定的时间，甚至很长的时间，即它有一定的疲劳寿命。 ( 4 ) 材料或构件对疲劳载荷远比静载荷敏感得多，疲劳抗力不仅决定于材 料本身，而且敏感地决定于构件形状尺寸、表面状态、工作条件和所处环境等。 为了避免因疲劳强度不足而造成船舶破坏，有关国家各自提出了设计阶段 船舶结构疲劳强度计算方法，主要船级社( a b s 、d n v 、l r 、g l 、b v 、n k 、c c s 等) 在各自船舶入级检验规范中对结构的疲劳强度问题均提出了要求。 大型集装箱船具有长大开口、方型系数小、剖面变化显著和明显艏外飘以 及高航速等特点。沪东中华开发设计的8 5 3 0 t e u 集装箱船横向开口尺度接近船 宽的9 0 ，且为减轻船体自重并保证纵向强度其结构大量采用高强度钢，这使 得该船的疲劳强度问题，尤其是应力集中现象比较明显的舱口角隅处的疲劳强 度问鼷显得非常突出。8 5 3 0 1 e u 集装箱船是沪东中华造船集团承接的我国第一艘 8 0 0 0 箱级大型集装箱船，针对该船设计建造的关键技术进行研究，有助于缩小 我国与世界造船先进国家的差距，提高我国在世界造船市场上的竞争力。 1 2 疲劳强度分析研究进展综述 尽管早在1 9 6 2 年，v e d e l e l 就注意到”1 ，对于普通船舶疲劳问题比脆性断 裂更加藿要，疲劳裂纹经常出现在首间舱区、船舯底部、舷墙处及大开口角隅 处，但这篇文章当时没有在学术界引起重视，国外对于船舶结构疲劳破坏问题 真正重视开始于7 0 年代末。j o r d a n 和c a c h r a n 对旺在服役的8 6 艘船舶节点部 位进行了仔细的调查，发现了大量疲劳裂纹，他们的调研结论与第七届i s s c 会 议上所报道的数据比较一致”“1 。他们的工作指出，对大船来说疲劳破坏是个最 主要的问题。之后，一些机构也发布了他们对船舶由于疲劳问题导致破坏的相 关调研结果。但直到八十年代末期，对于疲劳强度的研究主要集中在大学或一 些研究机构，还没有引起各船级社的特别重视。 九十年代初期，一系列的船舶疲劳破坏报告令各船级社重新审查他们的设 计规范，意识到必须把疲劳强度校核也放入设计规范中，即在船舶设计阶段就 需要校核船舶节点的疲劳强度是否满足要求。最早正式把疲劳强度校核方法列 入船舶设计规范的是g l 。随后，其它各主要船级社如d n v 、a b s 、b v 、l r 、n k 、 2 上海交通大学暨沪东中华造船集固博士后研究工作报告 一一 r i n a 等也分别建立了各自的疲劳强度校核方法“”“”“”“。各船级社船舶设计规 范中的疲劳强校核方法都属于简化疲劳疲劳强度校核方法，绝大多数船级社已 将它们的疲劳强度校核方法编入规范强度校核软件并商业化。 a b s 船级社s a f e h u l l 软件p h a s ea 中采用简化的工程方法来确定构件的尺 寸，包括临界载荷确定、结构响应计算及强度标准，可以进行具有不同端部连 接方式的纵向构件疲劳强度校核以及舱口角隅疲劳强度校核。 l r 船级社的s h p r i g h t 软件包括s d a 和f d a 两个模块。s d a 是一个有限元 分析模块，包括结构建模、典型装载工况、强度标准，f d a 是一个疲劳强度校核 模块，热点应力集中系数可以采用简化的有限元模型计算，也可以从软件自备 的内部数据库中查得。 d n v 的n a u t i c u sh u l l 软件功能强大，可以采用两舱段有限元模型，根据规 范所一定的载荷和强度标准进行疲劳授核，也可以采用整船有限元模型，波浪 载荷直接计算，进行精细的疲劳强度校核。 国内对于船舶结构疲劳强度问题的重视是最近十年的事情。陈伯真、胡毓 仁探讨了船舶与海洋工程结构疲劳可靠性分析中的一些问题6 1 。崔维成研究了几 种校核船舶结构疲劳强度的确定性方法，并且对各种变量的影响做了定量的分 析，在国内首次给出了基于线性切片理论计算结果的垂向波浪弯矩的w e i b u l l 分布形状参数回归公式矧”1 。王东海对某军舰进行了疲劳可靠性分析，比较分析 了船舶结构疲劳寿命两种分布格式的异同1 ，采用a b s 和g l 规范简化方法对 1 7 0 0 t e u 集装箱船舱口角隅疲劳强度进行了评估。“3 。中国船级社也发布了疲劳 强度直接计算指南3 。 疲劳破坏作为一种破坏模式，其破坏过程一般来说可分为三个阶段：裂纹 的开始、裂纹的稳定扩展和裂纹的断裂。在微观层次上，疲劳破坏是一个极其 复杂的过程，很难用严格的理论方法描述或模拟。因此，目前的疲劳分析方法 都是建立在宏观层次上的。在这个层次上，疲劳分析方法可以分为两大类：一 是基于s - n 曲线和p a l m g r e n - i n e r 线性累积损伤准则的疲劳累积损伤计算方法 ( 后文简称s - n 曲线方法) ；二是基于p a r i s 裂纹扩展准则的断裂力学方法( 后 文简称断裂力学方法) 。严格来说，s - n 曲线方法仅适用于预报裂纹的起始寿命， 但现在一般都将疲劳破坏的概念模糊化，通过人为地定义某一种状态为疲劳破 坏，将原来的裂纹扩展过程简化为_ 个破坏临界状态，从而将s - n 曲线方法用 于估算结构疲劳破坏的全寿命期。断裂力学方法通过引入应力强度因子描述裂 第1 章绪论 纹尖端应力场，可以对已有裂纹的结构提供一个更糟确的剩余寿命估算方法， 但方法复杂，涉及的因素很多，目前实用的船舶结构疲劳强度分析主要还是应 用$ - n 曲线方法。 s - n 曲线可以分为4 种方法：名义应力法、热点应力法、切口应力法、切口 应变法啪。这4 种方法的特点如表3 所示。 校核疲劳所描述疲劳所用 方法名称 主要的优缺点 用的应力的s - n 曲线 名义应力范 s - n 曲线对应应力计算简单；计算精度主 围 名义应力法 于给定的节点要取决于$ - n 曲线的选择； ( 计及宏观几 型式 需要的$ - n 曲线数量多； 何应力集中) 热点应力范s - n 曲线对应热点应力的计算有定工 热点应力法围( 计及结构于给定的焊接作量；需要的$ - n 曲线数目 不连续效应) 方式较少： 由于焊接形状的不确定，同 准弹性切口一种焊接节点的应力离散 应力范围( 计度大；设计阶段焊接形状未 s - n 曲线对应 切口应力法 及焊趾处的知，需要做保守估计：需要 于母材 局部切口效 的s n 曲线数最少，方法可 应)以是精确的，但应力计算工 作量大； 弹塑性切口 应变范围( 计对应于母材的可以考虑材料的弹塑性影 切口应变法 及循环应力e - n 曲线 响：计算工作量大。 应变关系) 名义应力法是目前最常用的方法，热点应力法是当前的研究热点。热点应 力的计算需要进行精细有限元分析，单元誉型的选择、单元大小的划分、载荷 的施加以及边界条件的确定等是关键所在。而在计算疲劳损伤时，选择与疲劳 校核应力匹配的s - n 曲线是正确进行疲劳强度校核的基础。 圭童奎翌垄兰兰芝查兰! 皇丝叁璺堡主墨堡垒三笪鲨 采用名义应力法或热点应力法估算结构疲劳寿命的计算流程如下 区垂回 图ls - n 曲线方法计算流程 本文应用s - n 曲线方法，对沪东中华造船集团为中海设计建造的8 5 3 0 t e t 集装箱船进行疲劳强度校核。 1 38 5 3 0 t e u 集装箱船主要参数 本文的研究对象是沪东中华造船( 集团) 有限公司为中国海运( 集团) 总 公司设计建造的8 5 3 0 t e u 集装箱船。该船主尺度如下： 总长：3 3 4 米 垂线间长：3 2 0 米 型宽：4 2 8 米 型深：2 4 8 米 设计吃水：1 3 0 米 结构吃水：i 4 6 5 米 方形系数：0 6 6 3 7 服务航速：2 5 节 本船为双底双壳结构，平行中体范围较短，船体型线变化明显，舱室划分 为9 个货舱加机舱和首尖舱及尾尖舱。所有计算中采用的结构形式和尺寸均依 据船体布置与基本结构图纸。 第l 章绪论 图28 5 3 0 t e u 集装箱船总布置图 v v e bf r a m es c h xs p a 川0 川 普；i - 。 一 ，- j 蚶 d ? 纛； l l i “ ， ， ；四i 0 0 f l j ： j ： ( 丛 1 渊轷娲广- i 一 ) l n - 一al ： ；。l |。 ； 熊 j 黼镌 i * 1 f i m i ， ： r 抖，。 l 静， i ； f l 聍l ”摧j 剐 。； l 净 l w 圆hl - - l 舭i m d ； l ；! ： ； 喇：l 黔斟z ”，- u t _ i “ “i = ，二：，：，：。11 1 图38 5 3 0 t e u 集装箱船典型横削面图( 强框架处) 6 一一 圭堡墨望苎兰竺芝查竺兰丝叁璺堡主生翌查三笪垫兰 o r do r a m es e c 图48 5 3 0 t e u 集装箱船典型横剖面图( 普通框架处) 1 4 本文主要工作 本文针对8 5 3 0 t e u 集装箱船进行疲劳强度分析，主要做了以下工作： ( 1 ) 建立了船体三维湿表面模型和满载、压载状态的质量模型，应用 d n v w a d a m 程序实现了给定概率下的波浪诱导船体载荷和运动预报； ( 2 ) 采用d n v p a t r a n p r e 程序建立整船结构有限元模型，应用s e s a m 程序 进行了整船结构有限元分析； ( 3 ) 参考整船有限元分析结果，选定三个舱口角隅，根据d n v 相关指导性 第1 章绪论 文件完成了疲劳强度直接计算； ( 4 ) 选取纵骨节点疲劳校核剖面，应用d n v 的n a u t i c u s 软件和a b s 的 s a f e h u l l 软件进行了纵骨节点疲劳寿命校核并进行了对比分析。 上海交通大学暨沪东中华造船集团博士后研究工作报告 第2 章船舶运动与波浪载荷长期预报 2 1 概述 船体波浪载荷计算是在一个三维船壳流体动力模型上进行的，并结合装载状 态的重量分布，建立相应的质量模型，使计算模型的总质量和质量惯性矩与实 船相一致。由于本研究依据d n v 相关规范和指导性文件，因此采用d n v 发布 的北大西洋海域波浪散布图，利用三维面元势流理论计算船体运动传递函数和 船体波浪诱导载荷传递函数，采用p m 波浪谱模拟海况，运用二参数w e i b u l l 分布拟合长期分布，计算得到波浪诱导船体运动，波浪诱导垂直剪力、诱导扭 矩、垂直弯矩、水平弯矩及水动压力在各种超越概率上的极值。 在船舶运动计算中，涉及到两个运动参考坐标系。一个为输入坐标系，一 个为结果参考坐标系。输入坐标系的坐标原点在船体中纵剖面、船底基线所在 水平面、船体重心所在横剖面的相交处，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。结果参考坐标系的坐标原点在输入坐标系 原点垂向上方水线面处，其余的均与输入坐标系相同。两个坐标系如图2 - 1 所示。 z l z x ： ：|0i | 一 一 左舷 yj j 、 船艏 o。 x 图2 - 1 坐标系( 输入坐标系：x ，y ，z ；结果坐标系：x ，y ，z7 ) 9 x 墨! 兰苎苎兰塑皇鲨! 塾堕苎塑塑坚 2 2 波浪诱导载荷与运动预报基本原穗 波浪诱导载荷与船舶运动的短期和长期预报在理论上包括三个基本假定： ( 1 ) 风浪和船舶运动认为是各态经历和平稳随机过程； ( 2 ) 船舶视为是时间恒定的线r 陛系统： ( 3 ) 风浪和船舶响应视为窄带谱。 波面的瞬时值满足正态分如的概率密度表达式。正态过程的主要特点是儿 由f 态过程经过线性变化后得到的任一随机过程也是正态的。凼此波浪诱导船 体运动和载荷、船体应力瞬时值都是难态分布。瞬时值服从正态分布的平稳随 机过程，其幅值服从r a y l e i g h 分布。 2 21 传递函数 传递函数可以看成是船体在单位波幅的舰则简谐波激励f 的响应。船体响 应包括船体的六自由度运动，波浪作用在船馋表面上的水动压力，结构构件和 设备由于运动引起的惯性力等。在简谐波作用下随时问而变的响应函数可写为： 胄0 ，芦，f ) = a - r e 0 h b ，声1e “+ - 】 ( 2 1 ) 式中： a ：波幅 b ：浪向角 6 0 ：波频 t ：时间 传递函数h ( c a ) b ) 可以表示成复数形式： 4 ( o j ，p ) = 厅+ i h ( 2 2 ) ；a t 兰丛( 2 - 3 ) 舳 船体在单位规则波作用下，做六个自由度的刚体运动，给定坐标点，町以 得到该点的波浪诱导运动传递函数： h m ，( ：) = h 比 一埘p 打 + y 日，。f f ( 2 4 ) 日“( = h ，。+ 州m 一州。口 ( 2 5 ) ( ”= 日，镕一归+ 埘。h ( 2 6 ) 其中o h 。( 。) ：指定点x 方向运动的传递函数 h 。：指定点x 方向运动的传递雨数 董! 兰丝堂兰茎量塑塾整量垫塑翌塑 2 2 波浪诱导载荷与运动预报基本原理 波浪诱导载荷与船舶运动的短期和长期预报在理论上包括三个基本假定： ( 1 ) 风浪和船舶运动认为是各态经历和平稳随机过程； ( 2 ) 船舶视为是时间恒定的线性系统： ( 3 ) 风浪和船舶响应视为窄带谱。 波面的瞬时值满足正态分布的概率密度表达式。匝态过程的主要特点是凡 由正态过程经过线性变化后得到的任一随机过程也是正态的。因此波浪诱导船 体运动和载荷、船体应力瞬时值都是正态分布。瞬时值服从正态分布的平稳随 机过程，其幅值服从r a y e i g h 分布。 2 2 1 传递函数 传递函数可以看成是船体在单位波幅的舰则简谐波激励下的响应。船体响 应包括船体的六自由度运动，波浪作用在船体表面上的水动压力，结构构件和 设备由于运动引起的惯性力等。在简谐波作用f 随时间而变的响应函数可写为： 灭b ，p ，f ) = a - r e 0 打白，卢1 e “+ ，j ( 2 一1 ) 式中： a ：波幅 1 3 ：浪向角 m ：波频 t ：时问 传递函数h ( u ，p ) 可以表示成复数形式： h ，) = m + 洲 ( 2 2 ) 口：口t a i l 旦堕( 2 3 ) ：h r 8 船体在单位规则波作用下，做六个自由度的刚体运动，给定坐标点，可以 得到该点的波浪诱导运动传递函数： t t j 村( ：) = h w x h p ，k + ) ，日，0 f ( 2 4 ) 日删( = h ，岬+ 姆邶。一2 h 加h ( 2 5 ) h ( ：) = h ，。口一，h ”。+ 珊p m ( 2 6 ) 其中： h 。：指定点x 方向运动的传递函数 上海交通大学暨沪东中华造船集圉博士君研究工作报告 。：指定点y 方向运动的传递函数 h ：) ：指定点z 方向运动的传递函数 。：船体垂心垂荡运动传递函数 日。：船体垂心纵摇运动传递函数 甘。：船体垂心横荡运动传递函数 月：船体垂心横荡运动传递函数 打。：船体垂心艏摇运动传递函数 h ；。：船体垂心纵荡运动传递函数 船体运动加速度的传递函数h 。可以由运动传递函数h m 得到： h = 一国2 h ( 2 - 7 ) 在对船舱中心点加速度预报时，考虑到重力成分的影响，舱内货物和压载 水的加速度传递函数为： h x = 一i t h 。一y h 。+ z h p h ) + g h m h h ，= 一2 ( ，。一x h 。一z h 。“) + g h 。 h m = 一2 ( h 。一x h 。“ + ) 何，。) 其中： h “x 方向加速度传递函数 h ，：y 方向加速度传递函数 h 。：z 方向加速度传递函数 2 2 2 波浪谱和晌应谱 ( 2 8 ) ( 2 9 ) f 2 1 0 ) 对于风浪和船舶运动这样的平稳随机过程，通常有两种统计分析方法：时 域分析方法和频域范围内的谱分析法。在本课题研究过程中，采用谱分析法。 短期的海况通常可以用波浪谱来表达，即用有义波高和平均跨零周期来表征。 不规则波谱表示了不规则波内各单元谐波的能量分布情况，常用的波谱有 p i e r s o n m o s k o w i t z 波谱、i t t c 双参数波谱、o c h i 六参数波谱、j o n s w a r p 谱等。 在s e s a m 程序系统中p o s t r e s p 模块采用了改进的p m 谱，其波能谱密 度s ( u ) 如下式： 酬= 等唧阳z l 蚓2 a ) “1 第2 章船舶运动与波浪栽荷长期预报 对于船舶等线性系统，响应谱等于波浪谱乘以系统的响应幅值算予，即： 又) = s ) - 1 h ( 】2 ( 2 1 2 ) 式中： s r x 响应潜密度函数 何k 传递函数 旧】2 ：响应幅值算子 s l 波浪谱密度函数 瓣糍蝌嚣： 平均跨零周期t z ：t z = 2 _ 7 r j v 用m ：。 有义波高i k ： 月s = 4 。 2 2 3 短期预报和长期预报 短期海况波浪幅值及波浪诱导船体运动幅值、 r a y t e i g h 分布。r a y l e i g b 分布概率密度函数为： 刷= 薏e x p ( _ 割 概率分布函数为： 栽荷幅值、应力幅值符合 ( 2 - 1 3 ) f ( x ) = 1 - e x p ( 一参j 妲。4 如果给定一超越概率，可以计算出相应此概率下的响应值，如三一有义值，百 一平均值等。 波浪诱导运动和载荷可以看作是很多短期r a y l e i g h 分布的总和，而对短期 r a y l e i g h 分布取决于唯一参数i ( r = 2 盯；) 。因此如果知道百的长期分布概率 密度函数，就可以预报出船体运动和载荷长期值。目前，认为长期预报是许多 个短期r a y l e i 曲分布的总和，并且是满足正恋分布。因此用正态分布和w e i b u l l 分布来拟合船体运动和载荷的长期响应分和。 在s e s a m 系统p o s t r e s p 模块中采用二参数的w e i b u l l 分靠来拟合船体运 动和载荷的长期响应分布： 上海交通大学暨沪东中华造船集团博士后研究工作报告 吒o ) ：1 一e x p f 一兰1 ( 2 - t 5 ) 式中： q q ：尺度参数( s c a l ep a r a m e t e r ) h ：形状参数( s l o p ep a r a m e t e r ) 在响应值x 时，超越概率为： q 0 ) = 1 一t g )( 2 1 6 ) 船体波浪诱导载荷由其航行海域的波浪所决定，由于本课题研究依据d n v 相关规范和指导文件，因此波浪诱导载荷与运动分析中采用的是d n v 提供的相 关海浪资料。 经过观测统计，世界各主要船舶航运发布过6 种全球波浪统计资料，列出 了在一定波高与波浪周期范围内的波浪出现频率，称为波浪散布图。在长期预 报计算中，通常采用波浪散布图作为船舶航行海域的航行条件。波浪散布图由 不同海况和每个海况的出现频率组成，每个海况常用有义波高和跨零周期表征。 经过几十年的对波浪观测和器测，统计和分析，目前已有相当广泛海域的不少 散布图可以利用。其中d n v 提供的北大西洋波浪散布图是使用非常广泛的散布 图之一，用于船舶强度分析。 2 3 三维水动力计算模型 2 3 1 湿表面模型 在本课题研究中，采用三维源汇理论计算波浪动压力载荷，为此需建立水 动力计算面元模型。本研究专门为8 5 0 0 t e u 集装箱船建立了一个船体外壳网格 作为船体水动力模型，将船壳外表面定义为湿表面。在w a d a m 模块中自动确认 为面元模型( p a n e l1 t o d e l ) 。由于w a d a m 模块对湿表面单元数量有限制，因此 船体湿表面模型网格远比结构有限元模型网格粗。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映射到结构有限元模型上。船体湿表面模型如图2 一l 所示。 2 3 2 质量模型 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，才有 可能计算得到与实船相一致的运动性能。 第2 辛船舶运动与波浪我荷长期预报 通过调接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，重心位置也与空 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。可以使结构模型直接计算得到的结构自重与空船重量符 合。本船空船重量为3 5 8 0 0 吨，经过调整后的模型空船重量满足要求。 对于除去舱口盖上集装箱部分的船上其他装载重量，根据实际重量资料， 将货物重量( 包括货舱内集装箱、燃油、淡水、压载水以及备品等) 分配到相 关的节点上去，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，形成部分全船质量模型。 对于舱口羲上集装箱部分，以梁的形式建立专门的重量结构模型，通过调 整不同位置和不同高度梁单元的密度，来满足与实际集装箱重量相一致的要求。 空船重量、集装箱货物重量、压载水重量、燃油、淡水和人员备品等重量及 其相应分布，构成了全船质量模型，并且全船的重量重心与浮心位景在纵向上 基本一致。这样计算得到的全船质量模型与实船的真实重量分布相一致，计算 结果才能反映真实的船体应力和变形状态。 图2 2 整船湿表面模型 d 上海交通大学暨沪东中华造船集团博士后研究工作报告 2 4 计算结果分析 为了观察不同浪向对船体运动和诱导载荷的影响规律。以及谱分析中所需 要的传递函数，需计算各种有意义的波长( 频率) 的规则波对船体的作用。为 此，在本课题研究中，共选取了波浪频率从0 0 5 至1 5 0 ，间隔0 0 5 。共3 0 个 频率。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 0 。、2 0 。、3 0 。、4 0 。、5 0 。、6 0 。、7 0 。、8 0 。、9 0 。、1 0 0 。、1 1 0 。、1 2 0 。、1 3 0 。、1 4 0 。、1 5 0 。1 6 0 。、1 7 0 。、1 8 0 。 其中，定义0 。为顺浪状态。在长期预报中，认为这十九个浪向角以等概率作用 在船体上。 传递函数是船体在单位波幅的简谐波作用下的船体响应，用w a d a m 模块进 行传递函数的计算。从图2 3 图2 1 4 ，显示了在满载状态下，这六个自由 度的刚体运动，在1 9 个浪向上的传递函数。从图2 2 l 图2 - - 3 2 ，显示了在 压载状态下，这六个自由度的刚体运动，在1 9 个浪向上的传递函数a 研究中：一参考a b s 的d l a 的要求，取以下主要载荷参数：截面1 ( 1 1 4 l ) 、 截面2 ( 1 2 l ) 建的弯矩和截面3 ( 3 4 l ) 处的扭矩。图2 - - 1 5 图2 - - 2 0 给出 了在这三个截面上，在满载状态下| 的传递函数。图2 - 3 3 图2 - 3 8 给出了在这 三个截面上，在压载状态下的传递函数。 第2 章铅舶运动与波浪栽荷长期预报 图2 3 满载状态下垂荡( h e a v e ) 的传递函数( 0 0 9 0 0 ) 图2 4 满载状态下垂荡( h e a v e ) 的传递函数( 1 0 0 。1 8 0 。) 6 图2 5 满载状态下纵摇( p i t c h ) 的传递函数( 0 。9 0 。) 图2 6 满载状态下纵摇( p i t c h ) 的传递函数( 1 0 0 。一1 8 0 。) 7 第2 章船舶运动与波浪栽荷长期预报 图2 7 满载状态下横摇( r o l l ) 的传递函数( 0 。一9 0 0 ) 图2 8 满载状态下横摇( r o l l ) 的传递函数( 1 0 0 。一1 8 0 0 ) 一一 圭望奎璺垄茎竺鲨查釜! 兰坚叁曼堡主重翌查兰笪垫查 图2 9 满载状态下纵荡( s u r g e ) 的传递函数( 0 。9 0 。) 图2 10 满载状态下纵荡( s u r g e ) 的传递函数( 1 0 0 0 一1 8 0 4 ) 9 第2 章船舶运动与波浪载荷长期预报 图2 一i 1 满载状态下横荡( s w a y ) 的传递函数( 0 。9 09 ) 图2 1 2 满载状态下横荡( s w a y ) 的传递函数( 10 0 。1 8 0 0 ) 上海交通大学暨沪东中华造船集团博士后研究工作报告 图2 13 满载状态下首摇( y a w ) 的传递函数( 0 0 9 0 0 ) 图2 1 4 满载状态下首摇( y a w ) 的传递函数( 1 0 0 0 1 8 0 。) 2 第2 章船舶运动与波浪载荷长期预报 图2 1 5 满载状态下截面i 扭矩的传递函数( 0 0 9 0 0 ) 图2 16 满载状态下截面i 扭矩的传递函数( 1 0 0 。一18 0 。) 上海交通大学暨沪东中华造船集团博士后研完工作报告 图2 17 满载状态下截面2 垂直弯矩的传递函数( 0 0 9 0 0 ) 图2 18 满载状态下截面2 垂直弯矩的传递函数c1 0 0 。一1 8 0 。) 第2 章船舶运动与波浪栽荷长期预报 图2 1 9 满载状态下截面3 扭矩的传递函数( 0 0 一9 0 。) 图2 2 0 满载状态下截面3 扭矩的传递函数( 1 0 0 。18 0 。) 上海交通大学暨沪东中华造船集团博士后研究工作报告 图2 2 1 压栽状态下垂荡( h e a v e ) 的传递函数( 0 0 一9 0o ) 图2 2 2 压载状态下垂荡( h e a v e ) 的传递函数( 1 0 0 。1 8 0 。) 第2 章船舶运动与波浪栽荷长期预报 图2 2 3 压载状态下纵摇( p i t c h ) 的传递函数( 0 。9 0 0 ) 图2 2 4 压载状态下纵摇( p i t c h ) 的传递函数( i 0 0 o 一18 0 0 ) 上海交通大学暨沪东中华造船集团博士后研究工作报告 图2 2 5 压载状态下横摇( r o t l ) 的传递函数( o o 9 0 。) 图2 2 6 压裁状态下横摇( r o l l ) 的传递函数( 1 0 0 。一18 0 。) 墨! 兰堑! ! 兰塑兰壅型垒堕苎塑翌垫 图2 2 7 压载状态下纵荡( s u r g e ) 的传递函数( 0 0 一9 0 。) 图2 2 8 压载状态下纵荡( s u r g e ) 的传递函数( 1 0 0 。1 8 0 。) 上海交通走学暨沪东中华造船集团博士后研究工作报告 图2 2 9 压载状态下横荡( s w a y ) 的传递函数( 0 。9 0o ) 图2 3 0 压载状态下横荡( s w a y ) 的传递函数( 1 0 0 。1 8 0 。) 墨! 主塑塑兰垫兰壅堡塾煎苎塑篓墼 图2 3 1 压载状态下首摇( y a w ) 的传递函数( 0 。90 0 ) 图2 3 2 压栽状态下首摇( y a w ) 的传递函数( 1 0 0 。1 8 0 。) 上海交通大学暨沪东中华造船集团博士后研究工作报告 图2 3 3 压栽状态下截面l 扭矩的传递函数( 0 。一9 0 0 ) 图2 3 4 压载状态下截面1 扭矩的传递函数( 1 0 0 4 1 8 0 4 ) 第2 章船舶运动与波浪栽荷长期预报 图2 3 5 压裁状态下截面2 垂直弯矩的传递函数( 0 0 9 0 0 ) 图2 3 6 压载状态下截面2 垂直弯矩的传递函数( 1 0 0 0 18 0 。) 圭查奎堕垄兰竺翌垄兰堡丝舞团博士塑墨壬 笪艮告 图2 3 7 压载状态下截面3 扭矩的传递函数( 0 0 9 0 0 ) 图2 3 8 压载状态下械面3 扭矩的传递函数( 1 0 0 。1 8 0 。) 3 3 第2 章船舶运动与波浪载荷长期预报 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。对比两种工况下船体运动与波浪载荷的传递函数图片，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0 4 0 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 )