船舶畢業(yè)設計外文翻譯--一種評估集裝箱船結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)強度的實用方法

1、<p><b>　　中文5600字</b></p><p>　　一種評估集裝箱船結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)強度的實用方法</p><p>　　K. Iijima, T. Shigemi, R. Miyake_, A. Kumano</p><p>　　日本海事協(xié)會研究所（NK）</p><p><b>　　摘 要&l

2、t;/b></p><p>　　集裝箱船結(jié)構(gòu)的特點是艙口開口大。由于這種結(jié)構(gòu)特性，波中復雜的扭力矩影響會引起艙口開口的巨大角變形和翹曲壓力。這就需要在集裝箱船的結(jié)構(gòu)設計階段評估船體梁的扭轉(zhuǎn)強度。本文在最新分析結(jié)果的基礎上討論了一種評估集裝箱船結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)強度的實用方法。為了盡可能準確估計扭響應特性，采用在油輪試驗中已得到確認的三維蘭金源法估計集裝箱船的波載荷，并以此用有限元法分析整船模型。另外，指定集裝箱船扭轉(zhuǎn)

3、反應達到最大時的主導規(guī)則波條件。扭轉(zhuǎn)強度評估設計使用荷載，其產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)反應等于長期預測值，并以指定主導波條件下的幾個集裝箱船的扭力矩為基礎檢測設計荷載。同時討論了用于估計總船體梁應力的一個適當?shù)膽Ψ至拷M合。</p><p>　　【關鍵詞】：集裝箱船 扭轉(zhuǎn)強度 蘭金源法 水池試驗 設計荷載 組合應力</p><p><b>　　緒論</b></p>

4、<p>　　受經(jīng)濟規(guī)模影響，集裝箱船的體積正在加大。最近幾年集裝箱船的發(fā)展似乎在加速。10年前裝載容量最大的5500標箱級集裝箱船已多少成為目前的標準?，F(xiàn)今，最大的超巴拿馬型集裝箱船擁有超過8000標箱的容量，甚至12500標箱級集裝箱船的基礎研究設計已經(jīng)開始。[1]</p><p>　　Payer[2]討論了集裝箱船在技術(shù)和經(jīng)濟方面的發(fā)展和轉(zhuǎn)變。論及集裝箱船的頂級技術(shù)難題莫過于船體梁的扭轉(zhuǎn)強度，即

5、指，以大艙口開口為特點的集裝箱船在波中會受到相當大的扭轉(zhuǎn)變形和翹曲壓力。在這方面，Sun and Soares[3]開創(chuàng)性的研究了帶有大艙口開口的船體承受扭力矩的極限強度。翹曲應力分量應與其他應力分量（例如縱向彎曲應力和橫向彎曲應力）一起納入船體強度評估的考慮范圍。扭轉(zhuǎn)變形可能在艙口角引起集中壓力，因此艙口角的設計應考慮到疲勞強度。</p><p>　　眾多關于集裝箱船結(jié)構(gòu)的研究從構(gòu)造和流體力學兩個方面分析了扭轉(zhuǎn)

6、強度，例如，[4–10]，Shimizu [5,8]用一個梁變截面模擬集裝箱船的結(jié)構(gòu)，進行了流體力學和構(gòu)造分析。Nakata [6] and Umezaki [7]分別開發(fā)了一個總系統(tǒng)，在該系統(tǒng)中船舶運動分析和結(jié)構(gòu)分析與統(tǒng)計分析相結(jié)合。</p><p>　　扭轉(zhuǎn)變形受到扭力矩分布和船舶結(jié)構(gòu)剛性參數(shù)分布的影響，而縱向或橫向彎曲應力只決定于影響該部分剖面模數(shù)的相關位置的彎力矩振幅。接著分析扭轉(zhuǎn)響應時需要總船模型。再者

7、，扭力矩分析的準確性不僅與規(guī)模有關也與分布有關。正如縱向彎曲應力在不同階段具有差異，橫向彎曲應力和翹曲應力也對總船體梁應力的估計有重大影響。同時還要求分析復雜的波浪荷載。因此，數(shù)值波浪荷載分析和有限元分析已被用于開發(fā)新的集裝箱船以及創(chuàng)新設計的集裝箱船。從這個意義上說，集裝箱船結(jié)構(gòu)的發(fā)展主要依賴于這些數(shù)值分析。</p><p>　　另一方面，不能否認的是，船級社為船體梁結(jié)構(gòu)強度評估制定的設計荷載已成為集裝箱船設計的

8、標準荷載，應用方便。這就是說扭轉(zhuǎn)響應估計的準確性、最后的結(jié)構(gòu)標注以及船體的安全性，很大程度上都取決于設計荷載的精確性。因此，需要發(fā)展用于評估扭轉(zhuǎn)變形的設計荷載，以反映最新數(shù)值分析得到的準確結(jié)果。</p><p>　　利用這個設計荷載在不進行復雜的波浪荷載分析時就能得到更準確的集裝箱船體扭曲強度評價，并推進船舶的結(jié)構(gòu)安全。</p><p>　　為了使設計荷載數(shù)據(jù)可靠，讓船舶設計師信服，其設計

9、過程就應該透明和合理。在一份合著[11]中提出，已經(jīng)成功開發(fā)了針對油輪和貨輪主要結(jié)構(gòu)構(gòu)件的設計荷載估算方法，這些船舶運營商都有透明和一致的背景。相關資料討論了設計海況、設計波和設計荷載之間的關系，最后結(jié)果表明以下方法得到的設計荷載可使所得響應可能等同于長期預測響應值。</p><p>　　目前，我們的目標是得到一個切實可行的方法，就是在盡可能準確分析得到的結(jié)果的基礎上評估透明和一致背景下的扭轉(zhuǎn)強度。主要討論了評估

10、集裝箱船船體梁扭轉(zhuǎn)強度所需的設計荷載和最佳應力分量組合。研究步驟如下：</p><p>　　⑴建立波荷載估算方法：盡管有幾例實驗研究了集裝箱船的扭力矩，但似乎無一針對超巴拿馬型集裝箱船。水池試驗中第一次得到驗證的數(shù)值分析法在一份合著中有了發(fā)展。</p><p>　?、凭_結(jié)構(gòu)分析：第一個計算波浪中集裝箱船的扭力矩，然后將荷載直接應用于整船的有限元模型。確定翹曲壓力和相對變形的響應函數(shù)，同時

11、確定短期和長期（超越概率Q=10-8）預測值。</p><p>　?、翘岢龊托ＵO計荷載：參照響應函數(shù)指定主導規(guī)則波條件下集裝箱船的最大扭轉(zhuǎn)變形。計算10艘不同大小的集裝箱船在主導波條件下的扭力矩，以該結(jié)果為依據(jù)制定設計荷載，并將其所得響應與步驟⑵中得到的長期預測值進行比較。</p><p>　　⑷提出和校正應力分量組合：步驟⑵后計算縱向應力分量、橫向應力分量和總船梁應力的響應函數(shù)，嚴格審

12、查不同階段的應力分量。參照響應函數(shù)之間的關系提出最佳應力分量組合，依此得到總船梁壓力。將所得總船梁壓力與長期預測值進行比較，并嚴格審查不同階段的應力分量。</p><p>　　⑸基于上述提出評估扭轉(zhuǎn)強度的實用方法。</p><p><b>　　波荷載估算</b></p><p>　　2.1 各種數(shù)值分析方法的優(yōu)缺點</p><

13、;p>　　多種帶狀法[12,13]已被開發(fā)和運用于估算波浪引起的船舶運動和包括縱向彎曲力矩和橫向彎曲力矩在內(nèi)的波荷載，該法有足夠的準確度，實際應用性強。帶狀法作為一個標準工具被廣泛應用于估算非線性荷載和運動14，現(xiàn)在有時也估算船體結(jié)構(gòu)的彈性15-17。但是，因為它們沒有準確考慮縱向帶之間反射波的水動力干擾效應和立體效應，在短波估算時其準確性值得懷疑。</p><p>　　為了提高估算的準確性，尤其在短波條件

14、下的準確性，已經(jīng)提出許過考慮三維效應的數(shù)值分析方法。其中包括基于三維勢流理論提出的三維Green函數(shù)法18和蘭金源法19-21。這些方法的優(yōu)勢在于考慮三維效應，有良好的計算穩(wěn)定性和適中的計算時間。因此，它們有望作為方便的設計工具而取代帶狀法。</p><p>　　盡管大部分三維法最初是為了頻域仿真，但它們很快發(fā)展為分析方法，與同時提升的計算機能力一起為時域仿真22-23效力。這促進了非線性效應在時域仿真上的應用，

15、同時出現(xiàn)的還有波浪振幅限度以及可能對設計荷載估算有重大影響的船舶運動。這些方法的缺點之一是仍然需要耗費大量的計算時間。</p><p>　　一份合著顯示，計算流體力學（CFD）可更準確的估算涉及波浪限度和運動振幅的波荷載。自從改法直接從數(shù)值上解決了Navier-stokes方程，即使是高度非線性現(xiàn)象，如抨擊和綠水航運都可納入考慮范圍。盡管這種方法不夠成熟，因為它才剛剛開始，但它有望作為估算波荷載和最終方法。<

16、;/p><p>　　上述方法的優(yōu)缺點見表1?？紤]到準確性、穩(wěn)定性、計算時間以及和長期預測法的兼容性，本文采取了基于頻域和三維勢流理論的估算方法。非線性特性及波浪限度、運動振幅則是利用了大浪條件下油輪測試得到的結(jié)果。</p><p><b>　　表1</b></p><p>　　各種估算船體梁響應數(shù)值法的優(yōu)缺點</p><p>

17、;　　A：線性帶狀法；B：頻域三維勢流理論；C：時域三維勢流理論；D：CFD。</p><p>　　◎：很好；○：好/可考慮；△：不好；×：差/不考慮。</p><p><b>　　2.2 蘭金源法</b></p><p><b>　　表2</b></p><p>　　集裝箱船模型的主要情

18、況</p><p>　　圖1 三個斷面處的力用力傳感器測量</p><p>　　水池試驗的波浪條件見表3。該試驗在常規(guī)波條件下進行，分別以三種不同的入射波高，10種波長，7七種入射波角度（以301為間隔從1801（頂頭浪）到01（尾隨浪））以及2種不同的船速。短波范圍內(nèi)不能進行15米波高的水池試驗，入射波會在這個高度破裂。</p><p>　　2.4 數(shù)值結(jié)果比較&

19、lt;/p><p>　　圖2〔a〕—〔c〕表示了首斜浪（120°）中三個斷面（站線為2.5，5.0和7.5處）響應函數(shù)振幅的比較，或所謂的扭力矩響應振幅算子的比較。橫坐標顯示波長λ隨船舶高度L(λ/L)而變化的情況,縱坐標則顯示單位波幅的扭力矩振幅。試驗結(jié)果利用傅里葉函數(shù)進行分析，因此，水池試驗值表明元件振幅周期與遭遇波周期相同。圖中，“Exp.(3.5m)”, “Exp.(9.0m)”, “Exp.(15

20、.0m)”, “STRIP” and “Rankine”分別代表3種入射波高度條件下的試驗結(jié)果，帶狀法及蘭金源法分析結(jié)果。計算力傳感器縱向位置或略低于靜止水位的扭力矩。</p><p><b>　　表3</b></p><p><b>　　水池試驗的波浪條件</b></p><p>　　蘭金源法得到的數(shù)值結(jié)果與3.5米波高

21、時的試驗結(jié)果有很好的一致性，尤其在短波范圍內(nèi)，如圖2所示。而帶狀法得到的數(shù)值結(jié)果則與試驗結(jié)果有較大出入。</p><p>　　圖2 站線2.5（a），5.0（b），7.5（c）處試驗結(jié)果與數(shù)值分析法結(jié)果的比較。</p><p>　　數(shù)據(jù)還顯示在首斜浪（120°）的更短波長范圍內(nèi)結(jié)果最大。此外，船尾處（站線2.5）也比其他地方（站線5.0，7.5）的結(jié)果大。</p>

22、<p>　　2.5 波中扭力矩的非線性特性</p><p>　　波浪高度使扭力矩具有非線性特征，繼而造成如圖2(a)–(c)中“Exp.(3.5m)”,“Exp.(9.0m)” and“Exp.(15.0m)”處試驗結(jié)果的不同。隨著波浪高度的增加，船頭尾處每單位入射波的扭力矩增大，顯示出明顯的非線性特征。而船尾和船中間不同波高的三個值和扭力矩幾乎相同，非線性特征微弱。</p><p&

23、gt;　　試驗中利用扭力矩 RAOs 得到與船中間部位有關的剪力中心處短期和長期扭力矩預測值。短期和長期預測分別用到了社科理事會1964波光譜（定向分配：余弦2）和國際船級社協(xié)會波數(shù)據(jù)（北大西洋，全年 [29]）。采用福田康夫提出的方法作了長期預測。</p><p>　　然后，比較大波浪與線性小波浪中的長期扭力矩預測值，定量確定波荷載的非線性相關系數(shù)。非線性相關系數(shù)Cnonlinear定義為在代表線性因素的大、小

24、波浪條件下扭力矩長期預測值的比值。 </p><p><b>　　( 1)</b></p><p>　　其中[Xmax]Hw=9.0m and [Xmax]Hw=3.5m分別代表概率水平為10-8時波高9.0m和3.5m條件下利用 RAOs得到的扭力矩長期預測值。因此，假定相關響應的試驗結(jié)果在3.5m波高條件下呈線性關系，又因為短波范圍內(nèi)高15米的波浪會破碎，扭力矩

25、會達到顯著值，同時假定波高9m時非線性關系使扭力矩的增加量達到最大值。</p><p>　　表4顯示了三個不同地點處(站線為2.5、5.0 和 7.5)與扭力矩有關的非線性相關系數(shù)值。由表可發(fā)現(xiàn)船中間和船尾（站線為2.5，5.0）處非線性特征不明顯，而船頭（站線為7.5）處扭力矩的非線性相關系數(shù)則非常大。</p><p><b>　　表4</b></p>

26、<p>　　與波高有關的扭力矩非線性相關系數(shù)試驗結(jié)果</p><p><b>　　結(jié)構(gòu)響應估計</b></p><p><b>　　3.1 概述</b></p><p>　　材料力學表明，在大斷面梁上扭轉(zhuǎn)響應和橫向響應會發(fā)生耦合。為了避免翹曲應力和橫向彎曲應力發(fā)生耦合，要采用的標準程序是評估與船中間部位有關的扭

27、力矩剪切中心，并定義翹曲應力為扭力矩下的船體梁應力。但是，一個真正的而變化，故應力分量不能被完全分開。</p><p>　　另一方面，翹曲應力σWT也可定義為扣除橫向彎曲應力后橫向剪切應力和扭力矩下的船體梁應力，結(jié)構(gòu)上可表達為σWT ＝σHS＋σTM －σWH，其中σHS ，σTM 和σWH分別表示橫向剪切應力、扭力矩和橫向彎曲應力下的船體梁應力。這一定義中，不需要假定剪切中心的高度。</p>&l

28、t;p>　　通過研究計算，由第一個定義得到的翹曲應力的響應函數(shù)與第二個定義得到的結(jié)果幾乎相同。第二個定義用于評價船首和船尾部分的翹曲應力。</p><p>　　3.2 扭轉(zhuǎn)響應的分析過程</p><p>　　超巴拿馬型集裝箱船(L×B×D×d＝287×40××24×13m4)在規(guī)則波中的扭力矩由上面已述的三維蘭金源

29、法分析得到，主要評估其剪切中心。</p><p>　　波中扭力矩下的集裝箱船結(jié)構(gòu)響應利用圖3中提到的全球有限元模型分析得到。它包括大約50，000相對粗略的要素，其中絕大部分是板單元和活塞桿要素。梁或樓板間距作為要素一邊的標準長度。利用在最近網(wǎng)格線處的混合與建模來考慮加強板的影響，而使所有全球結(jié)構(gòu)特性，諸如縱向彎曲剛度、橫向彎曲剛度、扭轉(zhuǎn)剛度以及扭轉(zhuǎn)彎曲剛度，可能在有限元模型中重現(xiàn)。</p><

30、;p>　　選擇一個合適的組合參數(shù)，使剛體的轉(zhuǎn)換和旋轉(zhuǎn)位移能受到限制。因為由蘭金源法分析得到的扭力矩是自我調(diào)整平衡的，所以限制點的響應力度非常小。</p><p>　　圖3 一個整船的有限元模型和一個扭力矩應用程序</p><p>　　現(xiàn)選擇一定的規(guī)則波，規(guī)則波條件下計算得到的扭力矩直接應用于有限元分析模型，并考慮扭力矩沿船的分布情況。圖3中舉例證明了扭力矩的一種應用程序。找出艙壁上連

31、續(xù)截面之間的扭力矩差別，然后將一系列垂直剪切荷載應用于每個艙壁。有必要為提供的規(guī)則波進行兩次有限元分析，也就是，一次直接，一次轉(zhuǎn)換90°。</p><p>　　改換規(guī)則波的波高和頂頭浪的角度，反復上述的分析方法，得到不同波浪條件下的翹曲應力響應函數(shù)。以同樣的方法計算艙口開口相對變形的響應函數(shù)。艙口開口的相對變形定義為艙口之間縱向位移之差（如圖4）。</p><p><b&g

32、t;　　3.3 結(jié)論</b></p><p>　　圖5（a）—（c）分別顯示了站線2.5、5.0、7.5處扭力矩的RAOs。橫坐標表示波長λ隨船舶長度而變化，縱坐標則表示每單位波幅的無量綱扭力矩之剪切中心。 扭力矩RAOs的曲線特征是溫和峰值出現(xiàn)在短波區(qū)域。當遭遇波角度為120°時，峰值為最高值。</p><p>　　圖4 艙口開口相對變形的定義</p>

33、<p>　　圖5 扭力矩之剪切中心的響應振幅算子（a）站線2.5處；（b）站線5.0處；（c）站線7.5處。</p><p>　　圖6 E/R之前翹曲應力的響應振幅算子 </p><p>　　圖7 艙口開口相對變形的響應振幅算子</p><p>　　圖6、7分別表示了輪機艙前翹曲應力的RAOs和艙口開口相對變形的RAOs。翹曲響應和相對變形的曲線同樣具

34、有一個溫和的峰值，該值出現(xiàn)在短波區(qū)域內(nèi)遭遇波角度為120°的情況下。</p><p><b>　　結(jié)論</b></p><p>　　以下結(jié)論是通過分析波浪荷載和超巴拿馬型集裝箱船的水池試驗得到。</p><p>　?、湃S蘭金源法得到的扭力矩值份額和試驗得到的數(shù)據(jù)；</p><p>　?、聘鶕?jù)不同波浪高度條件下

35、的試驗結(jié)果可知，扭力矩的非線性關系明顯存在于船身的前半部分；</p><p>　　利用數(shù)值分析法得到船體扭轉(zhuǎn)強度值，依此討論得出一種評估集裝箱船扭轉(zhuǎn)強度的實用方法。結(jié)論歸納如下：</p><p>　　⑶指定計算集裝箱船扭轉(zhuǎn)強度的主導波條件。波長為0.35L，遭遇波角度為120°；</p><p>　?、纫灾付ㄖ鲗Рl件下得到的不同大小集裝箱船的扭力矩為基礎

36、，暫定適合扭力矩的設計荷載；</p><p>　?、蓪M定的設計荷載用于一系列不同規(guī)模的集裝箱船，所得響應值與長期預測值進行比較。結(jié)果表明，擬定荷載下的扭轉(zhuǎn)強度值與長期預測值相同；</p><p>　　⑹基于試驗結(jié)果考慮非線性因素在極端波浪條件下的影響，調(diào)整擬定設計荷載的分布形狀，得到最終的設計荷載數(shù)值；</p><p>　　⑺利用相似系數(shù)來聯(lián)結(jié)應力分量的二次表達式

37、可用于表示最佳應力分量組合，再來進行總船體梁應力評估；</p><p>　　⑻利用應力分量組合評估六艘集裝箱船的總船體梁應力。結(jié)果表明，總船體梁應力的長期預測值就是按照擬定組合，將縱向彎曲應力長期預測值加上翹曲應力和橫向彎曲應力長期預測值。</p><p>　　盡管本文只進行了集裝箱船船體梁扭轉(zhuǎn)強度的評估，但如果將設計荷載和組合規(guī)則應用于艙口角落的疲勞強度評估，可得到良好的準確度。本文總結(jié)

38、出的研究結(jié)果可參考2003年發(fā)表的日本海事協(xié)會對集裝箱船的指導。</p><p>　　必須指出，所推薦的評估扭轉(zhuǎn)強度的實用方法有一定的局限性，應參照發(fā)展過程的性質(zhì)做相應調(diào)整。由于得出的結(jié)果是基于規(guī)模從1500標準箱到8000標準箱的集裝箱船，其結(jié)構(gòu)布置為了方便而將輪機艙設定在站線2.5處，所以還需要尋找適合上述船型的強度評估方法。然而，所提實用方法的適用性應在調(diào)查的基礎上進行，例如對尺寸和容量更大的船舶、新船型或