哈尔滨工程大学船舶与海洋工程专业本科生毕业论文

1、 哈尔滨工程大学本科生毕业论文 基于 LR 军船规范的舰船结构强度计算 院 系 名 称：船舶工程学院 专 业 名 称：船舶与海洋工程 指 导 老 师： 教授 学 生 姓 名： 摘摘 要要 随着海军舰船技术的发展，各西方先进海权国都先后推出了自己的军船规范，而我国军规入级的研究工作还刚刚起步。由于军船的特殊使命，对于船的结构有比较高的要求，所以本文对军船入籍船体强度评估方面的某些基础问题进行了研究，从军船的设计要求和任务要求出发进行了工作。主要工作如下：1.对波浪载荷进行预报，这个工作是在波浪载荷理论计算的基础上应用随机过程理论计算的基础上应用随机过程理论而实现的。其目的是以规则波中的波浪载荷响

2、应为基础，通过理论计算，确定船舶在给定时间航行于实际海况中的波浪载荷变化特性。对波浪载荷进行线性分析，用谱分析的方法确定了波浪载荷的长期值，并与各规范值进行比较。2.考虑到砰击等因素对波浪载荷的影响，采用水弹性时域分析方法，计算不同航速，不同海况下的非线性波浪载荷，并于规范计算值相比较，得出结论。3.结合前两部分的计算结果进行综合分析。ABSTRACTWith the development of the naval technology, many western sea-power countries constitute their own rules for military ship

3、s，while our country will have a long way in the research of military ships entering the classificationBecause of the special duty of military ships, they have a strong requirement in structure strength. This paper researches some basic problems in the strength evaluation when military ships enter th

4、e classification. The work begins from the requirement of ship design and task design. For this reason，the following problems are emphatically investigated1Predicting the waves loading on the basis of theoretical calculations, which is the application of random process theory. The purpose is set the

5、 waves loading in the random waves as the basic. Changes in properties of waves loading of in the actual sea conditions at the given time would be determined by theoretical calculation. Long-term analysis for VBM(vertical bending moment)was performed by spectral analysis method based on 3D linear wa

6、ve loads calculationThe results were compared with those of other rules2. With slamming effects considered，nonlinear wave loads was computed in different speeds and sea states by a time-domain hydroelastic methodThe results were compared with those of other rules, and give conclusions3. According to

7、 limit wave conditions and cruise wave conditions, strength check is done，on the basis of results analyzing related aboveWhen doing strength check, we use the direct method and the gradual destruction method. After comparing the two methods, we get conclusions.Key words：Wave loads；Hydroelastic analy

8、sis；Ultimate strength assessment；Direct calculation 目 录第 1 章 绪论.11.1 课题的目的和意义.11.2 课题研究现状.21.2.1 军船入级研究现状.21.2.2 船舶波浪载荷计算研究现状.31.3 本文的主要工作.9第 2 章 波浪载荷的预报.112.1 概述.102.2 确定计算载荷的谱分析法.102.2.1 规则波中船体载荷计算.102.2.2 波浪载荷预报.112.3 基于 Walcs 软件的设计波法.132.4 应用 Walcs 软件确定设计波.142.4.1 walcs 软件介绍 .142.4.2 设计波参数的确定.15

9、2.5 实船参数.2.6 有限元建模简单介绍2.6 本章小结.29第 3 章 相关规范中船体梁载荷的计算.3.1 国军标中船体梁载荷的计算.3.2 LR 军规中船体梁载荷的计算3.2.1 垂直波浪弯矩.303.2.2 艏部外飘冲击总载荷.313.5 本章小结.34第 4 章 全船有限元强度校核.354.1 整船有限元模型的建立.354.2 屈服校核.354.3 静水工况屈服校核.454.3.1 极限波浪工况.464.3.2 巡航波浪工况.464.3.3 两种极限强度计算方法的比较.484.4 总结.48结论.48参考文献.49致谢.54 第 1 章 绪论1.1 课题的目的和意义引言现今，国际上

10、军船的设计建造技术,随着整体制造业水平的提高，尤其是民船设计建造水平的快速提高,得到迅猛的发展。在新世纪的前后，军船入级的风暴席卷了世界上主要的海军装备发达国家，这是一场从认识到行动，从体制、管理到技术标准诸方面的改革和发展，代表了国际上军船设计技术的发展方向。这一切对于海军装备建设和造船工业正处在高速发展的我国船舶工业，是值得去关注、研究和分析的，对明确我国军船设计技术的发展方向具有重要意义。民船与军船的发展简史民船与军船都是航行在海上的平台,就平台本身而言，基本的航行状态与性能并没有本质的差别，只是它们各自的功能要求有所不同而已。纵观几百年来船舶的发展史，军船乃起源于民船，但最终似乎又归宿

11、于民船。对于军船的入级，简言之可视为船级社出版规范(军船规范)的一种发展和执行。因此，所谓军船的入级就是指遵守军船所对应的规范(或规则);而军船一旦入级，除了保证军船船体结构、轮机及电力设备等达到各种技术标准和规定外，也将保证军船的推进操纵及辅机系统，包括起重设备等都处于安全和可靠状态，当然与民船一样，军船有时也得遵守一些国际性法规和协议。军船入级后，海军有关的管理部门对于军船的常规事项，应作出相应的附加规定。通常，海军管理部门对军船的要求、采购负有责任，毫无疑问，海军对采用的标准、验收及认可还须负有特定的责任。作为一个体系，军船入级规范涉及船体、轮机、电气等多个方面，是一个负载的系统工程。本

12、论文的主要目的是对军船船体方面的某些关键基础问题和方法进行系统的研究，所涉及的主要问题有：结合某型实船的计算分析，研究LR 军船规范中有关计算载荷与船体强度校核中的有关内容，并与我国现行军规中的相应内容进行比较分析，给出有关的结论，为我国军规的修改以及军船入级规范的制订提出建设性意见。1.2 课题研究现状1.2.1 军船入级研究现状传统上来说，各国的军船都是按内部的技术标准来设计、建造、服役和管理的。如英国皇家海军的军船是以国防部在 1972 年出版的海军工程标准(Navy Engineering StandardNES)为基础来设计建造军船的。NES 含有 100 条标准，自 1972 年以

13、来按 NES 标准曾设计了 5 类新型军船，其中包括 49 艘水面舰以及3 类潜艇。NES 中的方法多数是定数论的，其中包括设计载荷(波浪弯矩与砰击振动弯矩)、拖带及舰载机着舰的作业载荷、武器的冲击受载以及爆炸载荷等，由应力的组合来评估结构的能力，包括极限承载能力，规定有限元计算及结构疲劳强度分析等。直到 1998 年海军率先作了改革，决定军船加入劳氏船级社，并从此后按其新规范(NSR)来设计和建造军船又如原美国海军规范，始终认定军船应承受海浪环境的极值载荷以及军用武器的攻击性受载，并几乎花了半个世纪，特别是在二次大战之后，就军船结构载荷的特性及其量值，通过模型试验、实船试验以及经战斗损伤军船

14、的评估和分析，将研究成果引入目己内部的军船规范中。但这部规范其方法也是定数论的。以设计资料单( DDS)系列给出军船设计的指导性文件。1998 年美国船级社(ABS)与美国海军合作开发了“军船规范”(Navy Vessel Rules NVR)，并在 2 004 年首次出版使用。在这一新的军船规范中，对于船体设计弯矩，除承袭传统的静力平衡方法外，附加了设计载荷的概率计算方法，同时明确采用 FEM 计算及疲劳分析方法，还开发采用了模块化(Modularity)的设计理念和方法以话应新型军船完成多钟使命任务的设计和建造要求。除上述国家之外，德国在原来由联邦防卫技术与促进办公室(BWB)”出版的德国

15、海军标准”(German Naval Standard)的基础上，在 1999 年由海军权力机关进行了再版。军船于 2 004 年入级 GL 后，该规范明确属于军船设计建造技术中的特殊部分浑船技术”(Naval Ship Technology)，而把德国船级社的民船规范，仅以军船作为一个呼台”的设计来相互联系。显然德国军船的入级是军船规范与民船规范的一种有机组合。直到 200 4 年，法国 BV，挪威船级社(DNV)及意大利船级社(RINA)相继接纳军船入级，也同时出台了相应的军船规范(规则)。迄今为止，一些发达国家军船入级的规范都具有下述的几个技术特征:采用国际海事组织(IMO)的技术标准一

16、一目标型标准(GBS)；采用国际船级社(IACS)的技术标准;采用最新的船舶力学理论及计算的先进成果;保留军船特定的功能性目标;考虑武备的影响武器的冲击受载与爆炸受载;考虑多种新型材料的使用。 随着海洋工程方面的技术发展，海洋工程入级规范也有较大发展。以上这些都是制定我国自己军船入级规范的良好基础。1.2.2 船舶波浪载荷的计算研究现状 通常所谓的船舶结构载荷是广义的，既指作用于船体上的直接载荷（如舷外水压力、舱内液体压力、结构及货物重力等） ，也包括由直接载荷所引起的载荷效应（如船体的静水弯矩、垂向波浪弯矩、水平波浪弯矩、扭矩、砰击振动弯矩等） 。它们之中，有的属于静态载荷，如舷外静水压力、

17、舱内液体静压力、结构及货物重力、船体静水弯矩等；有的是与波浪振荡频率或船体结构固有频率相关的动态载荷，如舷外波动压力、液舱晃荡压力、垂向及水平波浪弯矩、扭矩、砰击振动弯矩等。船舶在其寿命期内遭受的外力主要有结构自重、环境载荷、作业载荷和偶然性载荷。环境载荷分为波浪载荷、风载荷和流载荷。波浪载荷是船体结构强度分析、结构设计与安全评估中非常重要的载荷，正确计算波浪载荷对结构安全性具有重要意义。航行于海上的船舶，在其整个服役期中，可能会以各种不同的航速、不同的航向角和不同的装载状况遭遇各种不同的海况。波浪载荷是评估船体结构安全性的关键性载荷。低频波浪弯矩的确定，在船体总纵强度的分析中起着决定性作用。

18、然而限于科学技术的发展水平，在二十世纪五十年代之前，通常是按将船静置于标准波浪上的方法来确定。这是一种在物理直观的基础上建立起来的半经验性方法。该方法假定船舶与波浪同速同向，忽略了动力因素的影响，认为船舯最大波浪弯矩发生于波长与船长相等的规则波中。波形取为坦谷波，波高随波长而变化。波峰在船舯与波谷在船舯是两种危险的计算状态。对所有船舶都采用这种静置法来确定波浪弯矩，并将依此算得的总纵弯曲应力与标准的许用应力进行比较，这样所得的船体强度，由于没有考虑波浪载荷的变动性和随机性，也没有考虑船体承载能力的不确定性，所以只能是一种比较强度。AH克雷洛夫在 1896 年发表的“船舶在波浪上的纵摇新理论及由

19、此运动而产生的应力”及在 1898 年发表的“航行中船体所受的应力”的论文中，第一次提出了船舶在波浪中摇荡运动和船体弯矩与剪力的动力计算方法。但，船舶波浪载荷的计算，真正地获得突破性进展，还是在上世纪五十年代末船舶切片理论建立之后。在 1955 年 Korvin-Kroukovsky 1借用空气动力学中的细长体概念，提出了处理船舶摇荡问题的切片理论。该理论经 Korvin-Kroukovsky 与Jacobs2加以改进，形成了所谓的普通切片法(OSM)。随后又有许多学者对切片法赖以建立的理论基础进一步合理化和严密化，并将最初的迎浪纵向运动的计算推广到斜浪五个自由度运动的计算，由此产生了一批形式

20、上类似的计算方法3-7。其中最有代表性的是合理切片法3、新切片法(NSM)4和 STF 法6。各种切片法之间的差别主要体现在二维水动力的计算方法、水动力系数耦合项及尾端修正项的处理、绕射力的确定三个方面，但所得的数值结果在大多数情况下相差不大。同众多的船舶运动与剖面波浪载荷的研究文献相比，有关船舶水动压力预报的文献则较少。小林正典7在线性切片理论基础上计算了船体表面压力，其中绕射压力部分采用相对运动假设以简化计算。C.H.Kim8通过定义二维绕射势，直接求解绕射流场计算绕射压力分量。对于常规的排水式船舶而言，切片理论能很好地估算波浪主干扰力、静恢复力及惯性力，而这些力在相当大的频率范围内支配着

21、船舶运动和波浪载荷的大小。由于线性切片理论一般能给出较为准确的船舶运动与波浪载荷预报，并且易于实现数值计算，因此得到广泛应用。只是在相对较低的遭遇频率及高傅汝德数的情况下，线性切片理论的计算结果与实际情况才会有一定程度的偏差。尽管如此，1994 年 ITTC 会议认为，切片理论提供了传输方程的一种简单的表示形式，并仍将在实践中广泛地应用。在中、高海况的情形下，船舶运动尤其是波浪载荷的非线性效应不容忽视。七十年代末以来，一些学者通过采用不同的技巧将上述线性切片理论加以扩展，得到工程实用的非线性计算方法，以便考虑源于船体瞬时湿表面的显著变化而导致的流体静力和动力的非线性特性以及大幅运动时可能发生的

22、砰击现象。这一非线性特征和砰击现象，一方面导致波浪载荷响应包含有高频分量，另一方面会使其幅值发生明显变化（船舶迎浪航行时的垂向剪力与弯矩这一点表现得尤为突出，此时规则波中的中拱和中垂分量不再相等） 。这些非线性计算方法大体上可以分为时域方法和频域方法两类。采用时域非线性方法的研究文献较多。山本善之和滕野正隆9提出了一种用于估算船体垂向响应的非线性方法。其中流体力的计算，计及瞬时水下剖面的真实形状以及水动力系数随吃水的变化；求得船舶运动之后将船体当作弹性体进行处理；砰击力由动量砰击理论确定。由 Meyerhoff 和 Schlachter10提出的一种确定船体梁垂向载荷非线性响应的方法，系通过对

23、不规则海浪中船舶运行状态的模拟来求解运动方程，其中考虑了波浪冲击力对船舶运动的反馈。Borresen 和 Tellsgard11提出了一种预报大幅规则波中迎浪时船舶垂荡和纵摇耦合运动以及垂向载荷非线性响应的方法，其中非线性得自船体瞬时浸湿表面上波浪压力的积分，并计及外飘砰击、底部砰击和甲板上浪的效应。我国从事船舶水动力及结构外载荷研究的学者，在基于扩展的切片理论预报船舶运动与载荷的非线性响应方面，进行了深入的研究工作，取得了一些有价值的成果12-21。具有代表性的频域非线性方法是 Jensen 和 Pedersen22-23 基于摄动原理所建立的二阶理论。这一理论中的线性项等同于经典的线性切片

24、理论，二阶项则起因于激励波浪的非线性、船舶的非直舷以及非线性的流体动力。通过将船体横剖面的水线宽度、附加质量和阻尼系数以及垂向运动量在平均位置处展成泰勒级数，获得恢复力和流体动力的二阶表达式，进而给出船体梁的二阶响应。为了预报航行在中等海浪中船舶的最大中拱和中垂弯矩，应用统计方法进行处理。由于该理论考虑了船体的挠性，使它有可能用于研究非线性激励力引起的弹振。以上研究工作基本上大都是针对船舶垂向运动作出的，而关于斜浪中波浪载荷计算的文献相对较少。这一方面是因为多数情况下总纵弯曲是常规船舶结构设计的主要控制载荷；另一方面，在时域中步进求解斜浪中船舶运动微分方程时所存在的数值发散问题没有得到妥善的解

25、决。通常，船舶的非线性运动方程的稳态解是在时域内采用直接法（如 4 阶 Runge-Kutta 法） ，步进求解运动微分方程得到的。由于船舶在水平面内的运动不会引起恢复力，导致斜浪中船舶的横荡和艏摇运动产生过度的漂移，使求解过程无法持续进行。实际上，当船舶受到某一扰动漂离航线时，通常是通过操舵使船舶回到正确的航线上。而操舵过程中，舵及船体上流体作用力的计算是相当复杂的。日本学者 Fukasawa24曾提出采用数字滤波技术消除发散成分，从而得到稳定的运动响应，但由于计算机时过长，给实际应用带来不便。目前国际上通用的方法是建立可计及操舵效应的船舶运动方程25-26。此外，针对经典的切片理论预报高速

26、船的运动响应效果欠佳，充分考虑高速船舶特点的高速细长体理论（二维半方法）应运而生。在高速细长体理论中，流场速度势的控制方程和物面条件仍然是二维的，而自由表面条件则采用三维形式。该理论假定船舶航速较高时，船首处的非定常扰动势为零，水波只向后传播。对于航速不太高的肥大船型，这一假设是不能成立的，故高速细长体理论仅适合于高航速下的船舶耐波性的预报。时域问题的完善解法是通过建立初、边值问题来解决。Finkelstein27系统推导了各种自由表面时域 Green 函数，为时域计算打下了坚实的基础。Cummins28利用脉冲响应函数理论，将扰动速度势分解为瞬时项和记忆项两个部分分别求解，从而将船体的几何形

27、状与船舶运动相分离。Ogilvie29总结了上述理论，并将其推广到有航速情形。目前应用时域格林函数求解非线性问题已取得了很大进展。求解三维水动力的边界元方法主要有两类，一类是格林函数法，另一类是Rankine 源方法30。格林函数法采用在船体表面布置源的方法来确定速度势。点源速度势格林函数满足除船体表面以外的所有边界条件，而流场速度势可以由格林函数沿船体湿表面的积分得到。利用这一方法处理无航速船舶及海洋工程结构物的运动和载荷问题十分成功；对于有航速问题，由于有航速频域格林函数计算的复杂性和积分方程中水线积分项难以精确处理，增加了求解问题的难度。为此，许多人引入了低航速假定，利用无航速格林函数并

28、加上关于航速的修正项来处理此问题。Rankine 源法在近些年得到了迅速发展，并被扩展到非线性问题计算中。该方法的主要优点在于比较容易确定影响系数矩阵，并且易于拓展到非线性情况。然而这一方法需要在自由表面上布置单元，因此所需求解方程组十分庞大。由于真实的船舶是个弹性体，船舶在波浪中航行时，一方面船体因波浪作用而产生刚体运动及弹性变形，另一方面船体的刚体运动和弹性变形又反馈于流体作用力。因此有必要采用水弹性力学的方法分析水动力、惯性力和弹性力之间的相互作用，研究流体和结构的耦合动力问题。Bishop 和 Price31首先应用水弹性力学的方法系统地研究挠性船体在波浪中的动力响应问题。将船体模型化

29、为一根两端自由的弹性梁，与精典的切片理论相结合，采用结构模态分析法求解船体在波浪中的动力响应。由于在模态中引入了刚体模态，因而这种方法可以同时得到刚体位移和弹性变形。其后又有许多学者将水弹性方法与扩展的切片理论相结合，用于非线性波浪载荷的预报91022。吴有生32提出了广义的流固界面条件和环绕弹性体的三维势流理论，从而形成一个适用于在波浪中或水下运动的任意形状弹性体的三维线性水弹性理论。迄今三维线性理论已发展成熟，国际上各大船级社几乎都有三维频域线性船舶运动和载荷的预报程序。随着大容量计算机的出现，三维非线性理论也得到了迅速的发展并开始应用于实际。美国海军开发了一个多层次的大幅运动程序 LAM

30、P33,34用于预报舰船在各种海况下的船体运动和波浪载荷。LAMP 以时域描述和三维水动力为基础，其中 LAMP-1 为其线性版本，LAMP-2 和 LAMP-4 为非线性版本，后二者考虑的非线性程度有所不同。LAMP-2 考虑非线性静恢复力和非线性 Froude-Krylov 波浪力，以及三维线性水动力和平均自由面边界状态；LAMP-4 则考虑了非线性静恢复力和非线性 Froude-Krylov 波浪力，以及三维大幅水动力和遭遇波表面上的自由面边界状态。开发 LAMP-2 的目的是为了在保证重要的非线性静恢复力和波浪主干扰力的同时，大幅减少计算所需的输入数据和计算时间。LAMP 计算程序不仅

31、可以进行运动模拟，还可以计算剖面载荷、冲击载荷和结构响应。该系统的另一个突出特点是可以给出遭遇波表面下船体湿表面的瞬时水动压力分布、运动和加速度等信息，这些信息将作为结构有限元分析的输入数据。在船舶波浪载荷理论的发展过程中，试验研究起了极其重要的作用。实船海上试验的测试结果，对于弄清载荷的特征及其统计分布规律，无疑具有重要的意义。但受种种客观及主观因素的限制，实船海上试验结果不可避免地会有这样那样的局限性。为此，作为实船海上试验的补充和完善，水池模型试验得到了迅速的发展。试验的目的，不仅仅是用于去验证理论方法，更为重要的是，它可以揭示人们尚未认知的现象，反映问题的力学机理和实质，对理论计算方法

32、进行改进和完善。当前，已发展了多种不同档次的波浪载荷计算方法，从二维理论到三维理论，从线性假设到非线性处理，从频域分析到时域分析，预报的范围不断扩大，计算的精度不断提高。本书不可能也没有必要面面俱到，一一介绍。这里主要是阐述现代船舶波浪载荷理论的有关基础知识，介绍关于非线性问题和三维问题的工程处理方法，说明在确定波浪载荷设计值时应遵循的基本原则，指出实船试验与水池模型试验的实施要点，回顾国内外有代表性的一些试验成果。本文是利用 WALCS 软件进行波浪载荷的长短期分析，该软件可用于计算零航速或以中低航速航行于有限和无限水深规则波中的船舶或浮式海洋平台的运动、剖面载荷和湿表面水动压力的稳态响应。

33、软件以三维频域线性水动力理论为基础，将面元法和源汇分布法相结合求解浮体运动的三维辐射水动力系数，同时对绕射问题采用直接求解的方法，进而建立浮体的六自由度运动方程。求解浮体运动响应之后，进一步求出浮体的脉动压力响应和剖面载荷响应。同时，可以考虑系泊锚链的恢复力效应，系泊系统恢复力刚度系数由悬链线理论计算。软件可输出船舶与浮式海洋平台运动、剖面载荷及水动压力的频率响应函数，并可针对给定海况资料进行短期预报和长期预报，得到载荷及响应的设计值。1.3 本文的主要工作1.利用基于三维频域线性水动力理论开发的软件计算船舶的波浪载荷并进行长期分析，此时船舶航速较低，不考虑载荷的非线性影响，对一条军船进行长期

34、分析，并将计算结果与我国现行军规、共同规范、各船级社军船入级规范（LR 军船入级规范、BV 军船入级规范） 、准则等的计算值进行比较分析。2.考虑到船底砰击、外张砰击和甲板上浪等非线性因素的影响，按水弹性理论计算船舶的波浪载荷。对军船在不同航速、不同浪级下进行短期分析，由于存在非线性，故应取足够长时间进行时域计算，对每一循环，分别按照中拱、中垂状态取合弯矩的峰值（以回避相位问题） 。通过对波浪载荷的线性和非线性分析探讨军船入级波浪载荷设计值的确定方法。3. 舰船结构设计载荷及船体结构强度计算校核是水面舰船结构设计的重要内容。近年来国际几个著名船级社推出了军船入级规范，分别给出了结构设计计算载荷

35、以及船体结构强度分析的方法和准则。本课题结合某型实船的计算分析，研究 LR 军船规范中有关计算载荷与船体强度校核中的有关内容，并与我国现行军规中的相应内容进行比较分析，给出有关的结论，为我国军规的修改以及军船入级规范的制订提出建设性意见 第二章 波浪载荷的预报 2.1 概述船舶在其寿命期内遭受的外力主要有结构自重、环境载荷、作业载荷和偶然性载荷。环境载荷分为波浪载荷、风载荷和流载荷。波浪载荷是船体结构强度分析、结构设计与安全评估中非常重要的载荷，正确计算波浪载荷对结构安全性具有重要意义。船舶运动响应与波浪载荷计算研究中，通常假定浮体所处的海洋是均匀、不可压缩、无粘和无旋的理想流体。按照流场的简

36、化程度，可分为二维切片理论、二维半理论以及三维水动力理论；按格林函数表达形式分为自由面格林函数法和简单格林函数法（也称 rankine 源法） ；按函数的考虑程度分为零航速理论、低航速理论和全航速理论；按求解域形式分为频域分析方法和时域分析方法i。目前工程上常用的方法主要有：线性频域切片理论（修正航速） ，三维线性频域理论（自由面格林函数法、零航速/低航速） ，三维非线性时域理论（简单格林法/自由面格林函数法、全航速） 。二维切片理论和三维水动力理论在在工程上应用最为广泛，切片理论建模简单、计算效率高、计算精度相对较低； 水动力理论基于三维线性势流理论，适用于任意形状的船舶和海洋结构物，计算精

37、度高，尤其是能够获得较二维切片理论更为精确的湿表面水动压力分布ii。2.2 确定计算载荷的谱分析法2.2.1 规则波中船体载荷计算船舶在规则波中稳态响应的理论计算，通常是预报船舶在实际海浪中动态响应特性的基础。在船体运动与波浪载荷的计算研究中，通常假定浮体所处的海域环境是均匀、不可压缩、无粘、和无旋的理想流体，因而可以应用三维频域线性势流理论求解浮体水动力问题。本文采用上述理论来计算船舶的波浪载荷响应，其详细计算原理参见文献27和28等。基于上述理论开发了三维线性波浪载荷计算软件WALCS，软件以三维频域线性水动力理论为基础，将面元法和源汇分布法相结合求解浮体运动的三维辐射水动力系数，同时对绕

38、射问题采用直接求解的方法，进而建立浮体的六自由度运动方程。求解浮体运动响应之后，进一步求出浮体的脉动压力响应和剖面载荷响应。同时，可以考虑系泊锚链的恢复力效应，系泊系统恢复力刚度系数由悬链线理论计算。软件可输出船舶与浮式海洋平台运动、剖面载荷及水动压力的频率响应函数，并可针对给定海况资料进行短期预报和长期预报，得到载荷及响应的设计值。2.2.2 波浪载荷预报波浪载荷的预报是在波浪载荷理论计算的基础上应用随机过程理论而实现的。其目的是以规则波中的波浪载荷响应为基础，通过理论计算，确定船舶在给定时间航行于实际海况中的波浪载荷变化特性。根据统计时间的长短，波浪载荷的预报通常可分为短期预报和长期预报。

39、（1）短期预报短期预报的时间范围为半小时到数小时，在此时间内，船舶的装载状态、航速、航向角以及海情均可认为是固定不变的。短期海浪可视为均值为零的平稳正态随机过程。此时船体对波浪的响应可看作是线性不变系统。由随机理论可知，在海浪的作用下(输入)，其响应波浪载荷(输出)亦将是均值为零的平稳正态随机过程。输入与输出之间是通过下面的公式联系着： （2.1） ,T,H,S,V,H,V,T,H,Sz3/12z3/1w式中是海浪谱密度；是波浪载荷,T,H,Sz3/1,V,T,H,Sz3/1w（可以具体是垂向波浪弯矩与剪力，水平波浪弯矩与剪力，扭矩，水动压力等）的谱密度；是系统传递函数（又称频率响应函数）的模

40、，常称为,V,H幅频特性、响应幅算子或增益因子，其值为单位规则波幅下的载荷响应幅值（可由规则波中的理论计算或水池模型试验得到） 。为波浪圆频率，V 为航速，为组合波与主浪向的夹角，为航向角，为有义波高，为波浪的特31H，zT征周期。上式是船舶与海洋结构物耐波性和波浪载荷预报的理论基础。数学上可以证明，对于一个均值为零的平稳正态随机过程，在窄谱（谱宽系数小于 0.4）假定下，其幅值 X 服从 Rayleigh 分布，对应的概率密度为 （2.2）ExexpEx2)x(f20其中 E 为两倍的波浪载荷方差 m： （2.3）,V,T,Hm2Ez3/1由谱密度函数的性质及式（2.1） ，可知方差 （2.

41、4） 2203/122203/13/1),(),(),(),(ddTHSVHddVTHSVTHmzzwz根据式（2.2） ，可以进一步得到波浪载荷的各种特征值，如有义值。m2x3/1（2）长期预报长期预报，通常是对一种或几种典型的装载状态分别进行。因此，在给定的装载状态下，此时的输入变量是海况、航向角和航速。由短期预报可知，在海况为中，船舶以航向角为、航速为iz31TH，j运行时，其波浪载荷幅值 X 小于某个可能值 x 的概率，即 Rayleigh 分布函kV数 （2.5）kjiz3/120V,T,HExexp1)x(F如果认为由各种不同海况、不同航行状态所组成的短期彼此相互独立，那么长期概率

42、分布将是各短期概率分布的加权组合，亦即波浪载荷幅值 X 大于某一定值 x 的超越概率为 kjiz3/12kjijkz3/1iV,)T,H(Exexp)V(p),(p, )T,H(pxXP)x(Q（2.6）因为航速对线性波浪载荷影响不大，故计算时 V 可取为定值，即航速出现的概率。海况出现的概率取决于船舶实际运行海域的海浪1)V(Pk)T,H(pz3/1i统计资料。航向角出现的概率，按在之间均匀分布的原则确定。)(pj003600 通常规定船舶一生中遭到的波浪载荷循环数，则计算时可取概率水平为810n Q=1/n=10-8。一旦船舶的运行海域和概率水平确定之后，即可按上式求得所对应的波浪载荷特征

43、最大值。此值表示船舶在循环次数为 n 的整个使用期中，平均可maxX能出现一次的最大波浪载荷。上述对线性波浪载荷的预报方法，通常称为谱分析法。2.3 基于 Walcs 软件的设计波法1.设计波系统的确定就是要对各主要载荷参数所对应的设计波中各因素进行定义。一般情况下，设计波各要素的定义如下：（1） 选择典型的波浪环境参数，用三维势流理论方法计算船体在单位波幅规则波下的运动和波浪载荷传递函数，运用概率论和数理统计理论，对以上所列举的主要载荷控制参数进行长期预报。取一定概率水平或重现期的预报值作为设计值。为了简便起见，有时也可用规范中给出的相应概率水平下的波浪载荷设计值代替长期预报值。（2） 设计

44、波的浪向和频率根据主要载荷控制参数的传递函数最大值决定。（3)设计波的波幅等于主要载荷控制参数的设计极值除以对应的传递函数的最大幅值。（4） 等效设计波的相位应取在使所考虑的主要载荷控制参数在余弦波作用下达到最大的相位或位置。2.由以上所述，易知，如果确定了波幅、浪向、频率和相位，我们就可以得到等效设计波的形式，其具体过程如下：（1） 设计波的频率和浪向在给定的工况下，应用波浪载荷线性切片理论或三维方法计算船舶在单位规则波中的响应。计算中应考虑各个浪向和足够范围内的波频。根据选定工况的主要载荷控制参数，对计算的该载荷参数的频率响应函数，在浪向和波频范围内搜索，其中幅频响应最大值对应的波向和波频

45、，即为设计波的波向和波频。用每个主要载荷参数的频率响应函数达到最大值时的波频，计算设计波的波长： (1.1)2/ )2(g式中，为设计波的波长；为设计波的圆频率。(2) 设计波的波幅设计波系统的波幅是这样确定的：所考虑的主要载荷参数的长期值除以该载荷参数幅频响应的最大值。即： (1.2)式(1.2)中，为设计波的波幅。a(3) 各载荷成分的相位关系由于等效设计波是简谐变化的，不同瞬时各载荷分量的组合是不同的，因此在确定完设计波系统的各要素后，要进一步给定计算瞬时。计算瞬时一般取为主要载荷参数达到最大值(可正可负)的时刻，并且要同时规定此工况下的船舶受力状态(垂向波浪弯矩是中垂还是中拱)。否则，

46、得到的结论将是不唯一的。由于采用的是线性理论，在简谐变化的波浪力作用下，船舶的剖面载荷、运动和局部的动态响应等也是简谐变化的： (1.3)cos(jejjtaAM式中，为第载荷分量(剖面载荷、运动等)的瞬时值；为第载荷分jMjjAj量频响函数的幅值；为设计波波幅；为与设计波波频对应的遭遇频率；ae为第载荷分量频响函数的相位角jj2.4 应用 Walcs 软件确定设计波2.4.1 Walcs 软件介绍Walcs 软件是由哈尔滨工程大学研发，由哈尔滨工程大学与中国船级社联合发布的。本程序用于计算低速航行于有限和无限水深规则波中船舶的运动、剖面载荷和脉动压力的稳态响应。该程序以三维辐射水动力理论为基

47、础，将面元法和源汇分部法相结合求解浮体运动的三维水动力系数，同时对绕射问题采用直接求解的方法，进而建立浮体的六自由度运动方程。求解浮体运动响应之后，进一步求出浮体的脉动压力响应和剖面载荷响应。进而，可以计算输出用于统计预报的运动、剖面载荷及压力传递函数。值该参数幅频响应的最大主要载荷参数的长期值a2.4.2 设计波参数的确定（一）绘制湿网格注意网格数不要超过两千个，推荐利用 patran 等建模软件绘制，并将其导入 Walcs。导入后，如下图所示。 图图 2.1 水动力网格水动力网格（二）控制参数设置1）计算控制参数： 水深控制参数：无限水深 横摇修正方法：临界阻尼 波浪频率输入方式：自然频率

48、 方程组求解方法：GMRES2）输出控制参数：谱分析法注：其它参数易于选择，故没有一一列出，下同。（三）质量模型建立即输入重量参数 ，本计算实例舰船主要重量数据如下：1）船体分段质量模型 吃水：6.94m 总重：3135.32t 重心位置 X：48.971 Y：0 Z：5.447（四）环境参数控制 按舰船工作的具体环境选择合适的参数，填入下图空中，本例为所要设计舰船的环境参数： 图图 2.2 环境参数环境参数（五）进行计算，并提取计算结果。我们以垂向弯矩作为控制载荷，进行搜索，可得到下图。图图 2.3 控制参数控制参数由图，易看出 Ome=0.8 时，垂向弯矩在船舯取得最大值，因此我们得到了设

49、计波的波频=0.8，计算时选取舯拱，或舯垂受力状态。并得到该载荷参数幅频响应的最大值 4.205E+4 kN。（六）进行长期预报在 Walcs 软件环境下，需要根据船的实际工作条件，和我们所关心的参数数据，分别输入统计分析控制参数设置和海况参数设置。关于统计分析控制参数设置，由于作者要确定涉及波参数所以关注剖面载荷， 波浪谱选择 ISSC双参谱，长峰波、短峰波都应考虑，本文海况选取的是北大西洋海况。扩散函数为 ： *2*)cos(/2最后，令 Walcs 软件自行运算便可得到不同浪向，不同概率水平的长期值 （此处缺少一个图） 由上图易知，浪向选择 0 浪向，即迎浪状态，本例中，概率水平选择为1

50、E-05，即平时巡航状态。主要载荷参数的长期值为 5.27E+05Kn。根据设计波法，设计波的波幅： 表 3.1 总载荷规范计算值总载荷规范值中拱中垂垂直波浪弯矩 Mw（KN.m） （船舯）147453.33-259182.59正剪力负剪力垂向波浪剪力 QW（KN）（距艏柱 1/4 船长处剖面）3399.95-5976.18正剪力负剪力垂向波浪剪力 QW（KN）（距艉柱 1/4 船长处剖面）6505.17-3700.90表 1.1 设计波参数工况编号波幅(m)频率浪向相位值该参数幅频响应的最大主要载荷参数的长期值aLC14.1070.80-18.6LC27.2200.80161.2LC102.

51、4290.80-358.87LC114.2680.80-178.87LC124.3950.80-196.77LC132.5010.80-16.77在得到设计波参数后，利用 Walcs 软件可以方便地计算出可加载在 Patran有限元模型上的波浪载荷。由此可以得出以下的确定设计波的简单流程图：。选择典型的波浪环境参数计算波浪载荷传递函数对主要控制载荷参数进行长期预报确定设计波2.5 军船的主要参数 目标船为某军船，具体参数如表 2.1： 表表 2.12.1 某军船的主要参数某军船的主要参数项目数据单位船体总长120.000m设计水线长112.000m型宽14.400 m型深8.2000m设计吃水

52、3.87m设计排水量2880t设计航速28kn方型系数0.502水线面系数0.7086 对船体结构进行应力计算和分析就是为了对船体强度进行校核，所谓船体强度就是研究船体结构安全性的科学。船体强度的任务是研究船体结构抵抗破坏的能力和变形的规律。所谓结构的安全是指结构能承受在正常施工和正常使用时可能出现的各种载荷和(或)载荷效应，并在偶然事件发生时及发生后，仍能保持必需的整体稳定性。此外，结构在正常使用时，还必须适合营运的要求，并在正常的维护保养条件下，具有足够的耐久性。船体强度一般包括屈服强度，屈曲强度，疲劳强度与极限强度。本文只校核屈服强度。2.6 有限元建模简单介绍2.6.1 有限元建模基本

53、要求 基于表 2.1 里面某军船的主要参数，船体采用船用 EH36(=355N/mm )高强度钢,型钢采用 DH36 高强度钢，内围壁及其扶强材采用 A 级钢。有限元计算模型内容主要由以下几部分构成： （1）单元类型计算模型中共采用三类单元：板单元（壳单元） ，有面内刚度和面外弯曲刚度，且厚度不变；梁单元，是线单元，具有轴向、扭转和双剪切力和弯曲刚度，沿单元长度特性不变；杆单元，它也是线单元，仅有轴向刚度，沿单元长度横剖面积不变。（2）模型网格划分要求及理论基础a. 主要构件和载荷对称于纵中剖面时，则可以仅模型化船体结构的右舷（或左舷） 。b.船体结构有限元网格沿船壳横向按纵骨间距或类似的间距

54、划分，纵向按肋骨间距的一半或类似的间距大小划分。c. 在高应力区和高应力变化区尽可能避免使用三角形单元，尽量采用四边形单元。d. 对于承受水压力和货物压力的各类板上的扶强材用梁单元模拟，并考虑偏心的影响。纵桁、肋板上加强筋、肋骨和肘板等主要构件的面板和加强筋可用杆单元模拟。e. 单元许用应力标准采用的是膜应力，即：弯曲板单元的中面应力。梁单元采用的是轴向应力。(3)需要建模的构件有限元模型包括船体左右舷结构，即全宽模型，这样做是为了简化非对称性载荷工况分析。另外有限元模型应包括船体整个型深。所有主要纵向和横向结构单元均应在有限元模型中表示出来。主要板材和骨材，如舷侧外板、甲板板、外底板、内底板

55、、舱壁板、甲板和舱口围板等及其以上的扶强材；桁材及其以上的扶强材，如甲板纵桁、底纵桁和垂直桁；主要支撑构件上垂直于面板的腹板和加强筋；大肘板，甲板强横梁、桁材上平行于面板的加强筋；内部纵向加强筋和垂直加强筋。(4)坐标系统和单位系统全船模型的总体坐标系采用笛卡儿直角坐标系，原点设在船舯处中纵剖面与基线相交处：X 轴：沿船纵向，由原点指向船首方向为正；Y 轴：沿船横向，由中纵剖面指向左舷为正；Z 轴：沿船垂向，从基线向上为正。单位系统：采用国际单位制，长度为米（m） 、质量为千克（kg） 、力为牛顿（N） ，应力为帕（Pa） 。2.6.2 有限元建模 按照以上建模原则，有限元模型如下列各图所示。

56、 图 2.1 全船有限元模型 图 2.2 全船有限元模型（中纵剖面）图 2.3 船中典型舱壁有限元模型 图 2.4 船中典型横剖面有限元模型2 2.6.3 有限元模型的边界条件本文所采用的边界条件为惯性释放。我们知道，船体在航行时结构处于“全自由”状态，但是，对有限元模型进行静态分析时，不能处理为全自由状态，因为所加外载荷一般情况下不可能完全平衡，因而会使模型出现加速度，导致不能求解。用传统的方法施加限制转角的边界条件，不仅不能十分准确的描述船体的变形情况，而且支座处还会产生很大的支反力，导致计算结构不准。惯性释放（inertia relief）是 MSC/PATRAN 软件中的一种边界条件，

57、允许对完全无约束的结构进行静力分析。简单的说，就是通过结果的惯性力来平衡外力，尽管结果没有约束，分析时仍假设其处于一种静态的平衡状态。采用惯性释放功能进行静力分析时，将整个船体视为一个刚体结构，只需要对一个节点进行六个自由度的约束，相当于该处有一个虚拟支座。针对该支座，程序首先计算在外力作用下在每个方向上的加速度，然后将加速度转化为惯性力反向施加在每个节点上，由此构造一个平衡力系，恰好使位于虚支座处的点静止且反力为零。其基本原理，与刚体运动的原理相同，刚体的运动可以分解为重心的平移与绕刚体重心的旋转运动，因此，选择惯性释放点（即虚支座位置）时，尽量选择最靠近船体重心的节点处，节点离重心位置越远

58、，有刚体运动的原理可知，相当于绕某支座的运动，这时除绕重心的运动外，还增加了相对运动，改变了每个节点上的加速度，使得模拟不准确，因此，采用惯性释放的关键：一是尽可能让外力平衡，减少因平衡外力而增加的惯性力；二是使选取的惯性释放点位置离重心越近越好。由于全船有限元模型如实地反映了实际的质量分布，因此计算模型基本上已处于自由平衡状态，但要求消除模型的空间刚体运动，需对模型给以刚体运动约束，但不可妨碍船体的相对变形，因此采用惯性释放的方式来平衡全船有限元模型，在选取惯性释放点时，采取离重心最近的点为惯性释放点，保证了计算的准确性。2.6.4 总载荷及计算工况的确定 在得到已经经过重心调整的有限元模型

59、后，为进行强度校核要进行载荷加载，依据 CCS 规范的要求，在进行船体强度校核时要确定的设计载荷包括：静水压力、水动压力、货物静压力、货物惯性力。其中静水压力和货物静压力可以通过在 Patran 软件中设定压力场函数得到，而水动压力和货物惯性力的获得，要借助于设计波法，借助于它得到设计波的浪向、波幅、周期、相位等参数，将其输入到 Walcs 软件中，应用前一节阐述的方法计算在此设计波下的水动压力、以及中心处的加速度等文件。知道了水动压力就可以通过接口程序将其映射到有限元模型上；知道了重心处的加速度，再通过相对运动的公式就可以得到各个舱室参考点的加速度，进而获得货物惯性力。这样设计载荷都确定后就

60、可以加载到有限元模型上校核船体结构的强度了。加载完载荷后，要将所建立载荷组合成一个工况，并将船体惯性释放，以便后续工作的进行。2.7 载荷施加方式2.7.1 静水弯矩 根据劳氏规范，静水弯矩包括：（1）自重由于船体建模时产生，具体来说，当给予模型一定的板厚、材料属性后，就会得到相应的质量，包括质心位置。（2）机械、舾装以及其他设备所有的主要结构采用在相应位置施加集中力或压力载荷的方式模拟。次要的或不明的结构可包含在钢材重量之中。（3）浮力载荷根据吃水以及浮态设计场函数，以压力载荷的形式施加在船壳表面上。（4）压载和燃油以压力载荷的方式施加到舱室边界，场函数的设定视实际的液压压头和密度而定。（5