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原文传递超大型集装箱船砰击颤振响应研究

论文题名：	超大型集装箱船砰击颤振响应研究
关键词：	集装箱船;模型试验;砰击颤振;结构强度
摘要：	近些年来，超大型集装箱船由于具有能耗低与规模化等特点，获得了国际海运行业的普遍关注。由于该船型自身的特点，如主尺度较大、航速较高、高强度钢使用比例大、船体结构相对刚度较低及艏部区域具有大外飘等，当遭遇中高海况时艏部区域与波浪之间会频繁发生砰击现象，砰击载荷引起的船体梁颤振响应会严重威胁到船体总强度和疲劳强度。对此，世界各大船级社虽先后发布了砰击颤振效应对超大型船舶结构强度影响评估的规范或指南，但这些规范或指南主要是对分析过程给出了原则性的规定，并未给出砰击颤振响应计算方法和计算软件的具体规定，且部分强度评估方法仍存在不足，从而给超大型集装箱船结构设计及安全性评估造成了困难。基于以上背景，本文开展了超大型集装箱船在迎浪与斜浪工况中砰击颤振响应的理论与试验研究，建立了工程实用的超大型集装箱船砰击颤振响应预报与结构强度评估体系，用以解决当下工业界对于超大型集装箱船砰击颤振响应分析的迫切需求。论文的主要内容如下: 　　(1)为了进一步揭示船体-波浪之间剧烈相互作用的机理，在船模拖曳水池开展了中高海况下超大型集装箱船砰击颤振响应的水弹性模型试验研究。通过规则波中的试验，分析了超大型集装箱船运动与剖面砰击颤振响应的特性及其随规则波波高的变化规律，探讨了艏部区域砰击压力的特点。通过不规则波中的试验，获得了船体运动与砰击颤振响应的统计特征值，探讨了航速与波高对于船体结构响应的影响，并通过砰击颤振响应的超越概率特性及船舯总弯矩与低频波浪弯矩的关系分析了船舯砰击颤振响应特性。　　(2)改进了当前用于工程实际的三维时域砰击颤振响应理论预报方法。采用二维广义瓦格纳方法求解船体受到的砰击压力，并在船体艏艉部适当加密剖面数目以在不太增加求解时间的基础上尽可能计入艏艉区域的三维效应。为改进以往普遍采用的获取瞬时湿表面的方法，本文采用了一种与线性入射波速度势相协调的船体瞬时湿表面截取方法以更合理地计入物面非线性因素。波浪中辐射力的定解问题采用有航速物面及自由面条件以计入航速效应，波浪的记忆效应则基于延迟函数方法。与现有的基于动量砰击理论的砰击颤振响应计算结果的对比分析显示了文中给出的分析方法的优越性。通过对比分析理论预报及模型试验获得的船体结构响应时历曲线或统计特征参数，验证了本文给出的理论分析方法的正确性并揭示了超大型集装箱船在迎浪工况中砰击颤振响应特性。　　(3)将迎浪工况中的动量砰击分析方法推广至斜浪工况中，进而给出了一种具有工程实用性的超大型集装箱船斜浪中砰击颤振响应的水弹性分析方法。为了避免斜浪工况中由于艏摇及横荡运动无回复力导致的数值求解问题，采用自动舵模型添加相应的人工回复力。通过对比分析求解船体结构响应的三维有限元方法与模态叠加法，本文采用三维有限元方法针对目标超大型集装箱船进行模态分析，将超大型集装箱船弯扭耦合模态中的水平弯曲模态与扭转模态分开，进而采用基于梁理论的模态叠加法求解船体结构响应。与迎浪中的动量砰击理论计算结果的对比分析验证了本文给出的新方法的优越性。通过理论预报与斜浪中的模型试验结果的对比分析，验证了提出的斜浪中的超大型集装箱船砰击颤振响应分析方法的正确性，并分析了斜浪中超大型集装箱船砰击颤振响应特性，为后续的理论研究及试验研究提供参考。　　(4)针对船级社相关指南中部分强度评估方法存在的不足，本文基于直接计算思想研究砰击颤振响应对超大型集装箱船结构强度的影响。首先对比分析了设计载荷的直接计算结果与规范计算结果，接下来基于全船三维有限元模型探讨了砰击颤振响应对于结构屈服与屈曲强度的影响。对比了IACS，ABS及CCS船级社规范中极限强度评估公式，并进一步分析了该目标超大型集装箱船基于不同船级社规范下的极限强度评估结果。对于疲劳损伤方面，首先研究波激振动对于疲劳损伤的影响特性，从而得到了可以不计入波激振动对于疲劳累积损伤影响的短期海况范围;结合砰击颤振响应的发生条件，获得了疲劳累积损伤计算中仅需计入砰击颤振响应贡献的短期海况范围，从而进一步阐明了砰击颤振对于疲劳累积损伤的贡献。以某些具有代表性的短期海况为例，进一步揭示了砰击颤振响应对于疲劳损伤的影响特性，为船级社相关规范的进一步完善提供了重要参考依据。
作者：	于海成
专业：	船舶与海洋结构物设计制造
导师：	任慧龙
授予学位：	博士
授予学位单位：	哈尔滨工程大学
学位年度：	2020