計及波激振動和顫振效應(yīng)的超大型集裝箱船疲勞強(qiáng)度研究.pdf

1、近年來為了提高大型集裝箱船的經(jīng)濟(jì)性，同時為了滿足日益嚴(yán)格的節(jié)能環(huán)保要求，集裝箱船的設(shè)計向著大型化的方向在發(fā)展，船舶尺度的增大、大外飄設(shè)計和航速的要求使得水彈性效應(yīng)變得更加突出。波激振動和顫振能夠顯著提高船舶結(jié)構(gòu)疲勞損傷，但現(xiàn)階段在計算結(jié)構(gòu)載荷和疲勞強(qiáng)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(guān)研究工作，對波激振動和顫振的計算流程做了詳細(xì)的論述，提出了計算波激振動效應(yīng)及其對于疲勞損傷貢獻(xiàn)的計算流程，總結(jié)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(yīng)，耐波性響應(yīng)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(yīng)，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(yīng)結(jié)果，波激振動的響應(yīng)利用切片法來計算，計算時考慮迎浪航行時的對稱響應(yīng)和斜浪航行時的非對稱響應(yīng)。
　

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(kuò)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(nèi)，砰擊載荷的計算是建立在相對運動的基礎(chǔ)上，所以在計算相對運動時要考慮到砰擊作用力。
　　全船結(jié)構(gòu)響應(yīng)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(jié)果傳遞到有限元模型上，通過結(jié)構(gòu)有限元模型來完成局部結(jié)構(gòu)的分析，這樣可以通過有限元模型直接

4、提取節(jié)點應(yīng)力來完成強(qiáng)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(zhì)量，船體附連水質(zhì)量是在MSC/NASTRAN內(nèi)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(jìn)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(xiàn)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(yīng)力響應(yīng)，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(yīng)力的響應(yīng)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(dǎo)致的疲勞增加。
　　第二部分采用直接計算方法來完成，首先進(jìn)行不考慮波激振動效應(yīng)的疲勞損傷計算，通過譜分析和設(shè)計波法計算船舶結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度，此部分先進(jìn)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(yīng)力響應(yīng)，計算時先計算單位規(guī)則波的響應(yīng)值，得到應(yīng)力傳遞函數(shù)，然后按照海浪譜的概率分布進(jìn)行計算。設(shè)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(dá)到最大值時的波幅和周期作為設(shè)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(yīng)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(yīng)，得到載荷時間歷程后，統(tǒng)計對于疲勞損傷有作用的應(yīng)力循環(huán)，利用雨流計數(shù)

7、法得到載荷譜，與S-N曲線結(jié)合計算累計損傷度，最后對比不考慮波激振動效應(yīng)的疲勞計算結(jié)果，得到波激振動對于船體總疲勞損傷的貢獻(xiàn)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(jié)果看，壓載航行時由于其淺吃水導(dǎo)致疲勞損傷較為嚴(yán)重，波激振動和顫振又會使得疲勞損傷進(jìn)一步增加，根據(jù)北大西洋海浪譜計算結(jié)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(jié)果也會超過20%，而滿載工況下一般會增加13%左右。所以