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 概概述述 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、静水载荷：静水弯矩、剪力、静水、静水压力压力 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； 波浪波浪剪力：水平、垂向、扭矩；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、货物、自重自重 ( (运动加运动加速度引起）速度引起） e e、特殊载荷、特殊

2、载荷：砰击：砰击、冲击、冰压等。、冲击、冰压等。 要求要求：完备的计算载荷，规范上规定的载荷项目：完备的计算载荷，规范上规定的载荷项目都应有体现，给都应有体现，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 静水静水载荷载荷 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 波浪载

3、荷波浪载荷 由由理论理论方法（软件）计方法（软件）计算，或由模型试验得到。算，或由模型试验得到。1. 1. 方方法法 具具体见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课程等教材或文教材或文献献。 切切片法（二维方法）片法（二维方法） 三维三维方法方法理论理论 线性线性方法方法 非非线性线性方法方法 水池水池模型实验测试模型实验测试试验试验 大大尺度模尺度模型实际海型实际海浪测试浪测试 实实船测试船测试刚刚 体体 水弹性方法水弹性方法 2. 2. 规规则波中的载荷响应则波中的载荷响应 1) 1) 线线性性理论、频理论、频域域内求内求解解：波浪频率波浪频率e航速 （遭遇频率（遭遇频率

4、） 各载各载荷分量：荷分量：幅值幅值 a a 相相位位（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）运动各各载载荷分量荷分量 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）时历表达式

5、：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) 非非线性理论，时域或时历解线性理论，时域或时历解( )vM tt特点：非特点：非简谐并有简谐并有高频成份高频成份 3. 3. 不不规则波中的载荷规则波中的载荷 1) 1) 按按线性理论：谱分析法线性理论：谱分析法（应用（应用叠加原理）叠加原理） 2) 2) 非非线性理论：时域模拟线性理论：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）理论基理论基础：础：“随机过随机过程程理论理论”中的中的“线线

6、性系统性系统变换变换”， 参考参考随机过程随机过程中中“平平稳正态随机稳正态随机过程过程”。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：海输入：海浪波浪波面坐标面坐标 t是平稳正态随机是平稳正态随机过程。过程。线性系统的线性系统的输出输出 也也是平稳正态随机是平稳正态随机过程。过程。 ( )R t各频率各频率子波的能子波的能量大小的分布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 ： （可理可理解为对应单位波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）：利计算手段（过程）：利用相关的用相关的计算软件（程序）计算软件（程序）: 切切片法、三维方法或片法、三维方法或其其他，他， 或通过试或通过试验测试。验测试。对各频率波浪得对各频率波浪得到各载到各载荷分量的响应。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 确确定计算载荷的概率水平法定计算

8、载荷的概率水平法3.3.1 载荷的短载荷的短期分布期分布 1. 海海况和海浪谱况和海浪谱 海浪海浪 不不规则波：规则波： 有义波高有义波高或或特特征周期（征周期（ ，平，平均跨零周均跨零周期）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=

9、 H() 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

10、 TPP 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 航航速速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年的寿年的寿命期命期: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次载荷循次载荷循环中环中(每个循环对每个循环对应一应一个幅值个幅值)，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）。 一一般将般将RL作为设计计作为设计计算载算载荷，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。 在在规范中的应用：对一规范中的应用：对一批船进行计算分批船进行计算分析，然后对结析，然后对结果进行回归果进行回归，得到回归公式，如，得到回归公式，如垂向弯矩设计值。垂向弯矩设计值。232319010110(0.7) 10whbwsbMMC LBCN mMMC LB CN m 3.3.3 3.3.3 海海况资料的讨论况资料的讨论(,)iszP H T-海海况出现的概率况出现的概率1. 1. 北北大西洋海况分布表大西洋海况分布表（

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. 我我国沿海国沿海，西，西北太平洋海况（分区北太平洋海况（分区域）域） 特特别别: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