CH3-2-20140312设计波法详解

1、3.4 设计波法（或动态载荷法DLA） Dynamic Load Approach,3.4.1 概述 1. 概率水平法，可回归出简化公式，便于规范中使用，亦可用于直接计算。 缺点： 1）载荷分量组合问题？ 从概率水平法可知，是对幅值进行预报。 各载荷分量的信息被掩盖了（举例）。 2）局部载荷细节（比如压力），没有描述。,2动态载荷法（设计波法）思想： 考虑船舶实际航行状态（工况）下载荷的瞬时状态，选择若干严重的工作状态，计算结构的应力。 可以总结船体可能处于各种状态中,选取若干严重的状态。,3. 典型状态 迎浪 ：,中垂,静置法、动置法,中拱,垂向弯矩、剪力、水压力、货载,斜浪：,扭矩、水平弯

2、矩、横摇惯性力,垂向弯矩、剪力、水压力、货载,波浪中船体运动的定义,剪力 Qsw, Qwv 和弯矩Msw, Mwv, Mwh 和 Mwt的符号规定,主要载荷参数：,在各状态中，总有一些载荷比较重要，一些相对次要。 不同状态、不同载荷、船体构件受力不同。 垂向弯矩纵桁、纵骨、 甲板、船底、甲板开口围板 扭矩横舱壁、甲板开口 水平弯矩、扭矩、垂向剪力舷侧外板 水平弯矩舷侧纵桁 目标：选一些典型状态，能够分别考核不同构件的强度。 主要载荷参数： 、 、 、 、 、P 或 a等,3.4.2 设计波的确定,内容：波长（频率） 波幅 相位 浪向 状态时刻 1）波浪频率 a）利用波浪载荷计算程序，计算各浪向

3、（0、30、60 或（ 0、15、30、45 各频率（0.2、0.25、0.301.8r/s）,或=0.4L 2.5L 单位波幅规则波中的各载荷分量的频率响应。,b) 设计波的浪向和波浪圆频率 一般，对某一工况，对主要控制载荷参数对应的波浪频率，在浪向和频率范围内搜索，其中幅频响应最大值对应的波向和频率，即为设计波的波向和频率。 特殊考虑（指定波向，或对波长范围的限定）,2）设计波的波幅 设计值概率水平法，与规范要求对应，或特别考虑。 3）设计波相位和波峰位置 设计波波峰在纵向上与船重心位置之间的距离,波长， 相位， 浪向角,t,中拱,中垂,4) 计算瞬时与载荷组合 5）概率水平法与设计波法的

4、关系 概率水平法的对应，在波幅的确定上反映 设计波法，便于考虑非线性（砰击载荷的影响）,中垂,中拱,t,t,t,t,t,t,t,t,t,t,t,t,t,t,3.4.3 设计波法的一些应用,1. 军规中的搜素法 波长 波幅的关系式 迎浪状态，变化波长，取一系列规则波作为计算波浪。 载荷的非线性响应（含砰击效应）,2. 设计波法（动态载荷法）在共同规范中的应用 1）HCSR等效设计波法概述 主要：a）迎浪中拱/中垂弯矩（舯部） b) 迎浪中部货舱前壁处最大/最小（中拱/中垂）剪力 横浪：舱内最大垂向加速度（横浪） 斜浪：舯横剖面处最大/最小水平弯矩（中拱） b概率水平 （25年寿命期） c载荷组合

5、系数,主要载荷系数,其它载荷分量的载荷组合系数(因数),2）动态载荷状态,3）船舶运动和加速度（设计值）,4）船体梁载荷,垂向静水弯矩,垂向静水剪力,船体梁波浪载荷（设计值）,载荷工况下的船体梁动载荷计算,5）外部水动压力载荷,船底砰击压力： 船首冲击压力：,6）内部载荷,7）规范化动态载荷组合参数，见附录,3. 海洋平台波浪载荷的设计波法,确定作用于平台浮体上的波浪载荷的设计波法： 一般以100年一遇的最大规则波作为设计波，然后计算作用在平台上的使用载荷和环境载荷以及在这些载荷作用下的构件应力，并根据规范的强度衡准来校核平台的结构安全性。,设计波参数的确定方法,1）确定性方法（Determi

6、nistic Method） 以业主指定的最大规则波波陡为基础来确定设计规 则波波高。 2）随机性方法（Stochastic Method） 它是建立在海况统计特征上的，考虑了实际海面的随机性和不规则性,用于分析不规则海浪对平台的作用。,一、确定性方法选择设计规则波波浪参数 通过平台某些特征响应量确定：,1) 浮筒间的分离力 FS 2) 关于横轴的扭矩 MT 3) 浮筒间的纵向剪切力 FL 4) 浮筒上的垂向波浪弯矩 MV 5) 甲板的纵向加速度 aL 6) 甲板的横向加速度 aT 7) 甲板的垂向加速度 aV,对应每个特征响应量，用以下方法确定设计波的波浪参数,1、基于平台尺度特征确定危险浪

7、向和危险波长Lc（近似周期Tc） 2、计算响应幅值算子RAOs（单位波幅） 3、根据业主选择的设计波环境和规则波波陡计算式确定“极限规则波波高” 4、RAOs与相对应的“极限规则波高”相乘得到响应载荷 5、步骤4计算得到的最大响应载荷所对应的波高和周期就是强度设计评估所需的规则波波浪参数。,（S为波陡）,确定性方法选择设计波的流程图,浪向说明：X轴正向为0,浮筒间的分离力 FS 横浪（浪向角=90）、波长约等于浮筒外侧宽度的两倍，波峰位于中线，纵向浮筒间的分离力达到最大值。,由图示可以看出，横浪情况下分离力响应最大。并且随着浪向与平台纵轴的夹角的减小分离力明显减小。,关于横轴的扭矩 MT 斜浪

8、（浪向角=3060, 指浪向与平台纵轴的交角），波长约等于浮筒两端对角线长，波谷位于对角线中心时扭矩将达到最大值。,从图示可以看出，关于横轴的扭转力矩对浪向不敏感，除迎浪和横浪 外其余浪向都比较接近。但在浪向角为135和120附近达到最大值。,浮筒间的纵向剪切力 FL 斜浪（浪向角=3060 ），波长约等于浮筒两端对角线长的1.5倍，波谷位于对角线时浮筒间的纵向剪切力达到最大值。,从上图可以看到，斜浪状态下每条曲线都出现2个峰值，而且前后两个峰值按照浪向角呈反对称分布。,浮筒上的垂向波浪弯矩 MV 迎浪或随浪（浪向角=0或 =180 ），波长约等于浮筒长度，波峰位于船中或波谷位于船中呈对称分布

9、的情况下，浮筒上将会产生最大的垂向波浪弯矩。,从上图可以看到，响应曲线有两个波峰，后一个由于波长增大响应出现增大的波动。,由于平台下浮体与船体结构相似，因此当/L1时，垂向波浪弯矩 （中拱或中垂）响应达到最大值。此后当波长继续增加时，波高继 续增加，响应也逐渐增加产生第二个小波峰。,横轴改为波长与浮筒长度的比值/L,二、随机性方法确定设计波波浪参数,1）概 述 当波浪环境以谱的形式（不规则波）描述时，一般采 用随机性方法来确定设计规则波的幅值和周期，它是以短 期预报，即每个载荷特征的短期响应最大值为基础的。 采用该方法时，对于一定范围的不规则波周期，需考 虑业主选择的波浪所对应的极限平均波陡（

10、为了确定设计有义波高），它通过有义波高和平均跨零周期来定义。,假设浮体对波浪作用的响应是线性关系，在得到各子规则波中的幅频响应后，采用谱分析方法可得到不规则波中浮体运动或波浪载荷的响应谱 浮体运动与波浪载荷幅值的短期响应服从Rayleigh分布。该分布的唯一参数由响应谱 得到，即： 进而可得到船舶运动与波浪载荷短期预报的各种统计值，包括均值和有义值等。其中，均值 为,2）短期预报,有义值 为 此外，可进一步求得短期响应的最大值 ，短期响应最大值与有义 值的关系为：,式中 n 为该响应量的短期循环次数。目前3小时极值在海洋工程中 应用的较多，其表达式为：,代入 和 到 ，得到短期响应最大值为,3

11、）对应每个特征响应量，用以下方法确定设计波的波浪参数,1、基于平台尺度特征和整体水动力载荷特征响应量确定危险浪向和危险波长Lc（或近似危险周期Tc） 2、计算响应幅值算子RAOs（单位波幅），波浪周期范围约325S，并确定危险周期（Tc） 3、对于平均跨零周期（Tz，318S，间隔1S）和基于业主指定的极限波陡计算设计有义波高（Hs） 4、基于步骤3确定的Tz和Hs，选择合适的海浪谱(如JONSWAP谱、P-M谱等)计算波能谱密度Sw(),5、基于步骤2和4确定的RAO()和Sw()计算响应谱 6、对于每个不规则波海况计算短期响应最大值 Rmax,7、对于考虑的所有不规则海况，选择最大的Rmax 8、计算设计规则波波幅 式中：RAOc 危险周期对应的峰值响应幅算子 LF 载荷参数(取值范围1.11.3)，用于地理区域变化的修正。 AD 和TC 便是结构设计评估所需的设计规则波参数。,随机性方法选择设计波流程图,对于短期不规则海况的极限平均波陡，在没有其他资料的 情况下DNV规范有如下参考公式,边界值之间采用线性插值得到。表示为有义波高的计算式 为,以135浪向下的扭矩响应为例,135浪向下扭矩的RAOs曲线,Tz=9S时的波能谱密度曲线