CH3-1-20140307概率水平法

1、第三章第三章 计算载荷的确定计算载荷的确定、概述、概述、载荷响应计算、载荷响应计算、确定载荷的概率水平法、确定载荷的概率水平法 3.1 3.1 概述概述 1 1）设计载荷的重要性）设计载荷的重要性 2 2）载荷的内容）载荷的内容 a a、静水载荷：静水弯矩、剪力、静水压力、静水载荷：静水弯矩、剪力、静水压力 b b、波浪载荷：波浪弯矩：垂向、水平；、波浪载荷：波浪弯矩：垂向、水平； 波浪剪力：水平、垂向、扭矩；波浪剪力：水平、垂向、扭矩； 动水压力。动水压力。 c c、货载、货载 d d、惯性载荷、惯性载荷: :货物、自重货物、自重 ( (运动加速度引起）运动加速度引起） e e、特殊载荷：砰

2、击、冲击、冰压等。、特殊载荷：砰击、冲击、冰压等。 要求：完备的计算载荷，规范上规定的载荷项目都应有体现，给要求：完备的计算载荷，规范上规定的载荷项目都应有体现，给出计算方法或解决方案。出计算方法或解决方案。3.2 3.2 载荷的响应计算载荷的响应计算 3.2.1 3.2.1 静水载荷静水载荷 由船的基本数据（型线、装载工况、重量分布）按常由船的基本数据（型线、装载工况、重量分布）按常规方法（静力平衡）计算。规方法（静力平衡）计算。 有关内容见有关内容见船体强度船体强度教材。教材。 计算手段：列表计算计算手段：列表计算 计算机程序（提高效率）计算机程序（提高效率） 3.2.2 3.2.2 波浪

3、载荷波浪载荷 由理论方法（软件）计算，或由模型试验得到。由理论方法（软件）计算，或由模型试验得到。1. 1. 方法方法 具体见具体见波浪载荷波浪载荷或或船体概率强度船体概率强度课程等教材或文课程等教材或文献献。 切片法（二维方法）切片法（二维方法） 三维方法三维方法理论理论 线性方法线性方法 非线性方法非线性方法 水池模型实验测试水池模型实验测试试验试验 大尺度模型实际海浪测试大尺度模型实际海浪测试 实船测试实船测试刚刚 体体 水弹性方法水弹性方法 2. 2. 规则波中的载荷响应规则波中的载荷响应 1) 1) 线性理论、频域内求解线性理论、频域内求解：波浪频率波浪频率e 航速 （遭遇频率（遭遇

4、频率） 各载荷分量：幅值各载荷分量：幅值 a a 相位相位（相对于波浪（相对于波浪）0aVaM VVaSVTaM TH aM HH aSHapG aZGaG ayGaaG axGMSMM S ) (P, )(z , ) ( , ) (y , ) , ,(x ,（ ， ）（ ， ）（ ， ）（， ）（ ，（） （）垂向弯矩垂向弯矩垂向剪力垂向剪力扭矩扭矩水平弯矩水平弯矩水平剪力水平剪力压力压力（六自由度）运动（六自由度）运动各各载荷分量载荷分量 纵摇运动曲线纵摇运动曲线 (迎浪迎浪)垂向弯矩垂向弯矩My曲线曲线 （迎浪）（迎浪）垂向弯矩垂向弯矩My曲线曲线 （艏斜浪（艏斜浪3030o o）时历表

5、达式：时历表达式： ( )cos()VVaeMVMtMt()VM tt垂向弯矩垂向弯矩其它载荷分量的时历，情况类似。其它载荷分量的时历，情况类似。2) 2) 非线性理论，时域或时历解非线性理论，时域或时历解( )vM tt特点：非简谐并有高频成份特点：非简谐并有高频成份 3. 3. 不规则波中的载荷不规则波中的载荷 1) 1) 按线性理论：谱分析法（应用叠加原理）按线性理论：谱分析法（应用叠加原理） 2) 2) 非线性理论：时域模拟非线性理论：时域模拟 ( )VMtt谱分析法简述：（可参考谱分析法简述：（可参考船舶概率强度船舶概率强度）理论基础：理论基础：“随机过程理论随机过程理论”中的中的“

6、线性系统变换线性系统变换”， 参考参考随机过程随机过程中中“平稳正态随机过程平稳正态随机过程”。波浪波浪( ) t响应响应R(t)(运动，弯矩，剪力等）运动，弯矩，剪力等）输入：海浪波面坐标输入：海浪波面坐标 t是平稳正态随机过程。是平稳正态随机过程。线性系统的输出线性系统的输出 也是平稳正态随机过程。也是平稳正态随机过程。 ( )R t各频率子波的能量大小的分布各频率子波的能量大小的分布输入谱和输出谱之间的关系：输入谱和输出谱之间的关系：2R()S= H( ) S ( ) ( )H ：传递函数或频率响应函数：传递函数或频率响应函数2( )H ：响应幅值算子（：响应幅值算子（RAO） aaR

7、()H() ()=响响应应幅幅值值波波浪浪幅幅值值含义含义 ： （可理解为对应单位波可理解为对应单位波幅规则波的响应幅规则波的响应 ）( )S( )RS海浪谱海浪谱计算手段（过程）：利用相关的计算软件（程序）计算手段（过程）：利用相关的计算软件（程序）: 切片法、三维方法或其他，切片法、三维方法或其他， 或通过试验测试。或通过试验测试。对各频率波浪得到各载荷分量的响应。对各频率波浪得到各载荷分量的响应。 响应谱的统计特性响应谱的统计特性:200220( )( )RxRmSdmSd 1/3HsHzT2454421 2( )()exp()4szzHSTT3.3 确定计算载荷的概率水平法确定计算载荷

8、的概率水平法3.3.1 载荷的短期分布载荷的短期分布 1. 海况和海浪谱海况和海浪谱 海浪海浪 不规则波：不规则波： 有义波高有义波高或或特征周期（特征周期（ ，平均跨零周期），平均跨零周期）常用常用ISSC推荐的双参数谱推荐的双参数谱如果有航速如果有航速V，则要用遭遇频率，则要用遭遇频率e(1cos)eVg 航向角航向角 V 航速航速能量不变或能量相等能量不变或能量相等( )()eeSdSd则则 ( )()21coseSSVg( )S()eSee,szH T,V短期：短期：一定一定 航行时间：半小时到几个小时。航行时间：半小时到几个小时。 szHTV()eS V()eHeee2R()S= H

9、() S ()由随机过程理论：由随机过程理论：响应幅响应幅x是随机变量服从瑞利分布：是随机变量服从瑞利分布：200( )exp()2xxf xmm可用于各载荷分量，其中可用于各载荷分量，其中0m为响应谱的零阶矩。为响应谱的零阶矩。不规则波中，载荷响应不规则波中，载荷响应R（t）是平稳正态随机过程。）是平稳正态随机过程。3.3.2 长期分布长期分布 在整个寿命内会遭遇到不同的海况，航速和航向角，波浪载在整个寿命内会遭遇到不同的海况，航速和航向角，波浪载荷的长期分布是各个短期分布的加权组合。荷的长期分布是各个短期分布的加权组合。( )(,)( )( )()( )iszjklijklg xp H T

10、PP VP Df x,ijklP P P P 分别是：海况分别是：海况 (,)szH T、航向角、航向角 航速航速V，装载，装载D出现的概率。出现的概率。 ( )g x总载荷循环次数总载荷循环次数810LN （对应（对应25年的寿命期年的寿命期:CSR，以前为，以前为20年）年）超越概率超越概率1()LLP RRN 含义：在全部含义：在全部NL次载荷循环中次载荷循环中(每个循环对应一个幅值每个循环对应一个幅值)，或，或NL个个载荷幅值中，大于载荷幅值中，大于RL的载荷幅值仅可能出现一次。的载荷幅值仅可能出现一次。 类比类比X年一遇水位的说法，可以说年一遇水位的说法，可以说NL次循环一遇（次循环

11、一遇（NL代表时代表时间）。间）。 一般将一般将RL作为设计计算载作为设计计算载荷，通过这个过程确定的设计载荷，通过这个过程确定的设计载荷叫概率水平法。荷叫概率水平法。 在规范中的应用：对一批船进行计算分析，然后对结在规范中的应用：对一批船进行计算分析，然后对结果进行回归，得到回归公式，如垂向弯矩设计值。果进行回归，得到回归公式，如垂向弯矩设计值。232319010110(0.7) 10whbwsbMMC LBCN mMMC LB CN m 3.3.3 3.3.3 海况资料的讨论海况资料的讨论(,)iszP H T-海况出现的概率海况出现的概率1. 1. 北大西洋海况分布表（北大西洋海况分布表

12、（IACS No.34)IACS No.34)、全球海况分布表全球海况分布表 按按GBSGBS要求，要求，CSRCSR规范采用北大西洋海况分布表。规范采用北大西洋海况分布表。 T TZ Z H HS S.1.51.52.52.5.2. 我国沿海，西北太平洋海况（分区域）我国沿海，西北太平洋海况（分区域） 特别特别:台湾海峡海况（海浪谱）台湾海峡海况（海浪谱）/zTs/sHm 中国沿海S3区块海浪长期分布资料3.5456789total7.50000001016.00000132065.000017830194.00007191230413.250528351641892.50119584516301421.85450885014302091.2595972338101830.85156461245101700.50195642143101340.1012100004total