計及波激振動和顫振效應的超大型集裝箱船疲勞強度研究.pdf

1、近年來為了提高大型集裝箱船的經(jīng)濟性，同時為了滿足日益嚴格的節(jié)能環(huán)保要求，集裝箱船的設計向著大型化的方向在發(fā)展，船舶尺度的增大、大外飄設計和航速的要求使得水彈性效應變得更加突出。波激振動和顫振能夠顯著提高船舶結構疲勞損傷，但現(xiàn)階段在計算結構載荷和疲勞強度時，很少計及波激振動和顫振的影響。本文以一艘大型集裝箱船為例展開相關研究工作，對波激振動和顫振的計算流程做了詳細的論述，提出了計算波激振動效應及其對于疲勞損傷貢獻的計算流程，總結了符合工程

2、要求的實用方法。
　　船舶在波浪中航行時受到波浪載荷作用，船體作為彈性體也會有動態(tài)響應，耐波性響應采用三維Rankine源法和二維切片法來計算，時域計算時考慮非線性載荷作用和瞬時響應，考慮非線性 Froude-Krylov力和水彈性載荷的影響。繞射力和輻射力計算時保持線性，通過頻域計算來確定。水彈性的計算則可以給出顫振的瞬態(tài)響應結果，波激振動的響應利用切片法來計算，計算時考慮迎浪航行時的對稱響應和斜浪航行時的非對稱響應。
　

3、　考慮到計算效率和可靠性，砰擊計算采用兩種二維方法計算。第一種方法為擴展的瓦格納方法，第二種方法為修正的Logvinovich方法。后一種方法計算效率更快，被更廣泛的使用。在每一個時間步長內，砰擊載荷的計算是建立在相對運動的基礎上，所以在計算相對運動時要考慮到砰擊作用力。
　　全船結構響應通過模態(tài)分析和耐波性計算來完成，在計算過程中要把水動力結果傳遞到有限元模型上，通過結構有限元模型來完成局部結構的分析，這樣可以通過有限元模型直接

4、提取節(jié)點應力來完成強度評估和疲勞計算。三維有限元計算自由振動時，模擬船體在水中自由懸浮狀態(tài)，各節(jié)點不加約束，邊界條件為自由邊界，在計算濕模態(tài)振動時要考慮附連水質量，船體附連水質量是在MSC/NASTRAN內通過定義有限元模型濕表面單元和吃水高度來自動實現(xiàn)計算，其理論是用Helmholtz方法求解流體運動的拉普拉斯方程。
　　疲勞計算分為兩部分，第一部分是利用ABS規(guī)范進行簡化計算，其中包含砰擊計算、顫振計算和波激振動計算。在疲勞貢

5、獻率的計算方面，首先把船體作為剛體，在不考慮二節(jié)點振動的情況下，計算船體的彎矩以及應力響應，以此計算疲勞損傷，第二步則需要在考慮到二節(jié)點振動和顫振的情況下，計算總彎矩以及應力的響應值，得到總疲勞損傷，最后計算疲勞損傷中由于顫振和波激振動導致的疲勞增加。
　　第二部分采用直接計算方法來完成，首先進行不考慮波激振動效應的疲勞損傷計算，通過譜分析和設計波法計算船舶結構的疲勞強度，此部分先進行波浪載荷計算，然后把波浪載荷直接加載到有限元模

6、型上提取應力響應，計算時先計算單位規(guī)則波的響應值，得到應力傳遞函數(shù)，然后按照海浪譜的概率分布進行計算。設計波法是譜分析法的一種簡化，只需要在每個浪向下定義一個控制載荷，將控制載荷達到最大值時的波幅和周期作為設計波來計算該浪向下的疲勞損傷，這種方法計算更加方便快捷。
　　在計算計及波激振動效應的疲勞損傷時，同樣采用譜分析的原理，在每一個短期海況計算波激振動和顫振響應，得到載荷時間歷程后，統(tǒng)計對于疲勞損傷有作用的應力循環(huán)，利用雨流計數(shù)

7、法得到載荷譜，與S-N曲線結合計算累計損傷度，最后對比不考慮波激振動效應的疲勞計算結果，得到波激振動對于船體總疲勞損傷的貢獻率。
　　通過以上計算步驟完成了一艘超大型集裝箱船的疲勞計算，從計算結果看，壓載航行時由于其淺吃水導致疲勞損傷較為嚴重，波激振動和顫振又會使得疲勞損傷進一步增加，根據(jù)北大西洋海浪譜計算結果壓載航行時會增加超過40％，全球海況下會增加30%以上，合成計算結果也會超過20%，而滿載工況下一般會增加13%左右。所以