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原文传递大外飘船舶非线性波浪载荷时域水弹性分析方法与应用研究

论文题名：	大外飘船舶非线性波浪载荷时域水弹性分析方法与应用研究
关键词：	大外飘船舶;非线性波浪载荷;时域非线性水弹性;疲劳强度评估
摘要：	对于超大型集装箱船、大型驱逐舰、航母等具有大外飘的船舶，在高海况下易产生因大幅船波相对运动而导致的砰击现象，由此产生高频颤振响应使得船体遭受的非线性波浪载荷幅值和总循环次数增加，会对该类船舶结构的总弯曲强度构成威胁，已引起海事界的极大关注。IACS关于集装箱船纵总强度给出的统一要求UR S 11A中部分考虑了砰击颤振对船体强度影响，ABS、DNVGL、CCS等船级社分别给出了考虑砰击颤振对船体强度影响的评估指南，以上要求或指南一般仅给出了计算要求和计算过程描述，没有给出详细算法和有效的计算工具;军规中对于大外飘舰船设计载荷的确定目前仍主要基于经验公式，不足以反映具体船型的载荷和结构特性。在该类大外飘船舶的设计评估中，为合理考虑砰击颤振对载荷响应及结构安全性的影响，需要研究计及砰击颤振的载荷响应计算方法，开发计算效率和稳定性具备工程实用性的数值计算软件。　　基于以上目标，本文开展了大外飘船舶二、三维混合时域非线性水弹性计算方法研究，进行了大外飘船舶波浪载荷模型试验研究，提出了大外飘船舶非线性设计载荷确定方法，给出了考虑船体弹性效应的强度评估方法，主要研究工作如下: 　　1)以经典的三维结构动力学和势流理论为基础，根据水动力成分的占比大小，结合二维、三维势流计算的优势，将三维时域水弹性基础理论加以扩展，建立了有航速大外飘船舶时域非线性水弹性理论计算方法。在三维瞬时湿表面上计算考虑非线性修正后的入射波压力、流体静压力，通过频域水动力系数与时域水动力系数之间的关系，计及不规则波中不同子波贡献和响应的记忆效应，给出任意波浪形式的辐射、绕射力非线性修正，结合考虑大幅运动下剧烈船波相对运动的实用砰击、上浪载荷计算方法，通过时域求解算法的改进提高时历模拟的效率，并对斜浪工况下的横向运动发散情况进行控制，据此编制了相应的数值计算程序。以颤振响应Benchmark研究中的4400TEU集装箱船为算例船，开展数值验证。通过算例计算与试验数据的对比，证实了模型试验中的“倍频”现象，验证了大外飘船时域非线性水弹性理论计算方法的正确性与适用性。考虑非线性的理论计算对于参数选取较为敏感，为提高理论计算方法在工程实际应用中的适用性和稳定性，对计算参数的选择作了较为细致的探讨。　　2)较为详细地介绍了考虑结构动力相似的船模试验的相似关系及基于此的试验模型分类，对国内外水弹性模型试验方法进行分类比较，分析主流试验方法的优劣，综合考虑选定变截面分段龙骨梁模型作为试验对象，就其设计中的注意事项、方法步骤以及试验前的准备作内容作以细致描述，给出了关于集装箱船多载荷分量测量的考虑及建议。借助试验过程中数据处理算法的介绍，针对本文模型试验和国际上的公开船模试验与时域非线性水弹性理论计算方法计算结果的响应时历及频谱分析对比，验证了理论方法和数值计算程序的正确性和有效性，分析了“倍频”现象产生的原因、非线性波浪弯矩随波高及航速的变化规律、不规则波中载荷幅值的统计特性、阻尼对高频弯矩成分的影响等。　　3)以时域非线性水弹性理论计算方法为基础，针对给定的目标舰船，提出基于非线性长短期预报的设计载荷计算方法、非线性设计波法和非线性设计海况法，用于确定设计载荷，给出海况筛选的实用方法和设计海况的确定方法，并将三种方法的计算结果与规范值、试验值进行对比分析，得出有实际意义的结论。可为基于船舶结构直接计算法的船舶结构设计提供理论支撑，并为船级社的技术指导文件对应的直接计算工具开发维护提供保障，使之更为合理和完善。　　4)通过疲劳损伤计算的基本方法与原则的介绍，结合国际研究热点，以三维线性频域水弹性计算结果和谱分析法、时域非线性水弹性理论计算时历和雨流计数法为基础，计算得到考虑砰击颤振和考虑波激振动、砰击颤振联合影响的疲劳损伤。基于多家船级社规范中相关内容的规定，计算、统计、考察、分析了航速、浪向、装载、海况等对总体疲劳计算结果的影响，可据此进行一些计算工作上的简化。直接计算结果和规范计算结果对比分析得出的结论及计算建议，可为大外飘船舶考虑船体弹性效应的疲劳强度评估提供理论及技术支撑。
作者：	张楷弘
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：	2018