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原文传递计及波激振动和颤振效应的超大型集装箱船疲劳强度研究

论文题名：	计及波激振动和颤振效应的超大型集装箱船疲劳强度研究
关键词：	集装箱船;波激振动;疲劳强度;船舶结构
摘要：	近年来为了提高大型集装箱船的经济性，同时为了满足日益严格的节能环保要求，集装箱船的设计向着大型化的方向在发展，船舶尺度的增大、大外飘设计和航速的要求使得水弹性效应变得更加突出。波激振动和颤振能够显著提高船舶结构疲劳损伤，但现阶段在计算结构载荷和疲劳强度时，很少计及波激振动和颤振的影响。本文以一艘大型集装箱船为例展开相关研究工作，对波激振动和颤振的计算流程做了详细的论述，提出了计算波激振动效应及其对于疲劳损伤贡献的计算流程，总结了符合工程要求的实用方法。　　船舶在波浪中航行时受到波浪载荷作用，船体作为弹性体也会有动态响应，耐波性响应采用三维Rankine源法和二维切片法来计算，时域计算时考虑非线性载荷作用和瞬时响应，考虑非线性 Froude-Krylov力和水弹性载荷的影响。绕射力和辐射力计算时保持线性，通过频域计算来确定。水弹性的计算则可以给出颤振的瞬态响应结果，波激振动的响应利用切片法来计算，计算时考虑迎浪航行时的对称响应和斜浪航行时的非对称响应。　　考虑到计算效率和可靠性，砰击计算采用两种二维方法计算。第一种方法为扩展的瓦格纳方法，第二种方法为修正的Logvinovich方法。后一种方法计算效率更快，被更广泛的使用。在每一个时间步长内，砰击载荷的计算是建立在相对运动的基础上，所以在计算相对运动时要考虑到砰击作用力。　　全船结构响应通过模态分析和耐波性计算来完成，在计算过程中要把水动力结果传递到有限元模型上，通过结构有限元模型来完成局部结构的分析，这样可以通过有限元模型直接提取节点应力来完成强度评估和疲劳计算。三维有限元计算自由振动时，模拟船体在水中自由悬浮状态，各节点不加约束，边界条件为自由边界，在计算湿模态振动时要考虑附连水质量，船体附连水质量是在MSC/NASTRAN内通过定义有限元模型湿表面单元和吃水高度来自动实现计算，其理论是用Helmholtz方法求解流体运动的拉普拉斯方程。　　疲劳计算分为两部分，第一部分是利用ABS规范进行简化计算，其中包含砰击计算、颤振计算和波激振动计算。在疲劳贡献率的计算方面，首先把船体作为刚体，在不考虑二节点振动的情况下，计算船体的弯矩以及应力响应，以此计算疲劳损伤，第二步则需要在考虑到二节点振动和颤振的情况下，计算总弯矩以及应力的响应值，得到总疲劳损伤，最后计算疲劳损伤中由于颤振和波激振动导致的疲劳增加。　　第二部分采用直接计算方法来完成，首先进行不考虑波激振动效应的疲劳损伤计算，通过谱分析和设计波法计算船舶结构的疲劳强度，此部分先进行波浪载荷计算，然后把波浪载荷直接加载到有限元模型上提取应力响应，计算时先计算单位规则波的响应值，得到应力传递函数，然后按照海浪谱的概率分布进行计算。设计波法是谱分析法的一种简化，只需要在每个浪向下定义一个控制载荷，将控制载荷达到最大值时的波幅和周期作为设计波来计算该浪向下的疲劳损伤，这种方法计算更加方便快捷。　　在计算计及波激振动效应的疲劳损伤时，同样采用谱分析的原理，在每一个短期海况计算波激振动和颤振响应，得到载荷时间历程后，统计对于疲劳损伤有作用的应力循环，利用雨流计数法得到载荷谱，与S-N曲线结合计算累计损伤度，最后对比不考虑波激振动效应的疲劳计算结果，得到波激振动对于船体总疲劳损伤的贡献率。　　通过以上计算步骤完成了一艘超大型集装箱船的疲劳计算，从计算结果看，压载航行时由于其浅吃水导致疲劳损伤较为严重，波激振动和颤振又会使得疲劳损伤进一步增加，根据北大西洋海浪谱计算结果压载航行时会增加超过40％，全球海况下会增加30%以上，合成计算结果也会超过20%，而满载工况下一般会增加13%左右。所以对于大型集装箱船来说，波浪诱导振动引起的疲劳损伤非常严重，在计算船体结构强度和疲劳时需要考虑该方面的因素。
作者：	韩凤磊
专业：	船舶与海洋结构物设计制造
导师：	胡安康
授予学位：	博士
授予学位单位：	哈尔滨工程大学
学位年度：	2016
正文语种：	中文