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原文传递船用翼型风帆基座结构时域疲劳分析

论文题名：	船用翼型风帆基座结构时域疲劳分析
关键词：	船用翼型风帆;基座结构;疲劳损伤;时域分析
摘要：	基于地球能源现状及全球环境形势，航运业同样将势必向节能减排方向发展，目前已有众多风帆助航船舶问世且均取得良好节能效果。随着“碳达峰-碳中和”政策出台，学者们也渐渐针对风帆结构开展系列研究，但聚焦船用翼型风帆考虑风浪联合作用下疲劳损伤问题的研究则较少，因此本文基于某船风帆结构开展时域疲劳问题研究。　　对目前国际上风帆结构形式及疲劳研究主流方法展开调研，考虑方法优缺点及研究适用性，本文基于时域方法开展疲劳问题研究。有限元模型可反应实际结构应力水平，结构主体采用壳单元、部分位置采用梁单元，对于特殊结构采用适当的接触方式模拟，细化疲劳校核位置处网格模型。采用热点应力法求取环境载荷作用下应力响应时程，雨流计数法统计幅值及循环次数，结合结构形式参考规范确定S-N曲线参数，利用线性疲劳累积损伤理论计算疲劳损伤。　　结构长期工作于海洋环境，受风浪载荷共同作用，考虑航行区域匹配海洋环境信息，编制疲劳工况风浪联合概率分布，以便后续调用和计算。精准定义各参数物理意义及坐标系，正确完成载荷求取及施加过程，保证时域疲劳计算准确性。首先基于三维势流理论求解波浪作用，考虑惯性载荷及结构弯矩两种作用效果，分别基于线性和非线性因素确定载荷组合。建立船舶线性及非线性时域横摇运动微分方程，采用四阶龙格库塔法求解，其余自由度基于频率响应叠加法计算响应时程，以此为惯性载荷施加于有限元模型；求解风帆附近位置弯矩分布，已知剖面模数及板厚计算有限元模型甲板边界处的线应力，做为有限元模型载荷之一。其次基于CFD方法计算得到风帆帆叶结构不同风攻角下升起及降落状态表面风压分布结果，编程积分计算合力及合力矩，将其分散于三节桅杆从而精确模拟结构基座受力状态，依据规范考虑风载荷与风速平方成正比，故由风谱频时转换得到风速时程，将不同风速风向数值模拟的风速时程与不同风攻角合力及合力矩一一匹配，进而得到风载荷时程。参考工况施加风浪载荷，求取对应工况疲劳损伤。　　剧烈海况下船舶产生大幅横摇，具有较强非线性，为探究船舶运动非线性对结构疲劳损伤影响开展如下研究。筛选能够促使大幅横摇运动产生的海况，基于前述计算方法得到线性和非线性载荷时程，分别计算风载荷、线性及非线性浪载荷、线性及非线性风浪载荷共五种组合方式下疲劳损伤，分析结果得出：风浪联合下结构损伤不是简单风浪单独施加时损伤的叠加；非线性下损伤结果大于线性结果，因此有必要考虑大幅横摇非线性带来的影响；某些工况下风载荷所致损伤较大，且风浪载荷间存在促进或抑制效果，因此在风帆结构疲劳问题研究中风浪载荷联合作用不可忽略。
作者：	赵达
专业：	船舶与海洋结构物设计制造
导师：	陈景杰;李红霞
授予学位：	硕士
授予学位单位：	大连理工大学
学位年度：	2022