CH3-2-20140312 设计波法

1、3.4 设计波法（或动态载荷法设计波法（或动态载荷法DLA） Dynamic Load Approach3.4.1 概述概述 1. 概率水平法，可回归出简化公式，便于规范中使用，概率水平法，可回归出简化公式，便于规范中使用，亦可用于直接计算。亦可用于直接计算。 缺点：缺点： 1）载荷分量组合问题？）载荷分量组合问题？ 从概率水平法可知，是对幅值进行预报。从概率水平法可知，是对幅值进行预报。 各载荷分量的信息被掩盖了（举例）。各载荷分量的信息被掩盖了（举例）。 2）局部载荷细节（比如压力），没有描述。）局部载荷细节（比如压力），没有描述。 2动态载荷法（设计波法）思想：动态载荷法（设计波法）思想

2、： 考虑船舶实际航行状态（工况）下载荷的瞬时状态，考虑船舶实际航行状态（工况）下载荷的瞬时状态，选择若干严重的工作状态，计算结构的应力。选择若干严重的工作状态，计算结构的应力。 可以总结船体可能处于各种状态中可以总结船体可能处于各种状态中,选取若干严重的状选取若干严重的状态。态。3. 典型状态典型状态 迎浪迎浪 ： 中垂中垂 静置法、动置法静置法、动置法 中拱中拱 垂向弯矩、剪力、水压力、货载垂向弯矩、剪力、水压力、货载 斜浪：斜浪：扭矩、水平弯矩、横摇惯性力扭矩、水平弯矩、横摇惯性力垂向弯矩、剪力、水压力、货载垂向弯矩、剪力、水压力、货载波浪中船体运动的定义波浪中船体运动的定义剪力剪力 Qs

3、w, Qwv 和弯矩和弯矩Msw, Mwv, Mwh 和和 Mwt的符号规定的符号规定主要载荷参数：主要载荷参数： 在各状态中，总有一些载荷比较重要，一些相对次要。在各状态中，总有一些载荷比较重要，一些相对次要。 不同状态、不同载荷、船体构件受力不同。不同状态、不同载荷、船体构件受力不同。 垂向弯矩垂向弯矩纵桁、纵骨、纵桁、纵骨、 甲板、船底、甲板开口围板甲板、船底、甲板开口围板 扭矩扭矩横舱壁、甲板开口横舱壁、甲板开口 水平弯矩、扭矩、垂向剪力水平弯矩、扭矩、垂向剪力舷侧外板舷侧外板 水平弯矩水平弯矩舷侧纵桁舷侧纵桁 目标：选一些典型状态，能够分别考核不同构件的强度。目标：选一些典型状态，能

4、够分别考核不同构件的强度。 主要载荷参数：主要载荷参数： 、 、 、 、 、P 或或 a等等VMVSHMHSTM3.4.2 设计波的确定设计波的确定 内容：波长（频率）内容：波长（频率） 波幅波幅 相位相位 浪向浪向 状态时刻状态时刻 1）波浪频率）波浪频率 a）利用波浪载荷计算程序，计算各浪向（）利用波浪载荷计算程序，计算各浪向（0、30、60 或（或（ 0、15、30、45 各频率（各频率（0.2、0.25、0.301.8r/s）,或或=0.4L 2.5L 单位波幅规则波中的各载荷分量的频率响应。单位波幅规则波中的各载荷分量的频率响应。ta () 22g = b) 设计波的浪向设计波的浪向

5、和波浪圆频率和波浪圆频率 一般，对某一工况，对主要控制载荷参数对应的波浪频一般，对某一工况，对主要控制载荷参数对应的波浪频率，在浪向和频率范围内搜索，其中幅频响应最大值对率，在浪向和频率范围内搜索，其中幅频响应最大值对应的波向和频率，即为设计波的波向和频率。应的波向和频率，即为设计波的波向和频率。 特殊考虑（指定波向，或对波长范围的限定）特殊考虑（指定波向，或对波长范围的限定） Load p 2）设计波的波幅）设计波的波幅 设计值设计值概率水平法，与规范要求对应，或特别考虑。概率水平法，与规范要求对应，或特别考虑。 3）设计波相位和波峰位置）设计波相位和波峰位置 设计波波峰在纵向上与船重心位置

6、之间的距离设计波波峰在纵向上与船重心位置之间的距离 波长，波长， 相位，相位， 浪向角浪向角a主主要要载载荷荷参参数数的的设设计计值值 对对应应载载荷荷参参数数的的幅幅频频响响应应最最大大值值 x =-2cost中拱中拱中垂中垂 4) 计算瞬时与载荷组合计算瞬时与载荷组合 5）概率水平法与设计波法的关系）概率水平法与设计波法的关系 概率水平法的对应，在波幅的确定上反映概率水平法的对应，在波幅的确定上反映 设计波法，便于考虑非线性（砰击载荷的影响）设计波法，便于考虑非线性（砰击载荷的影响）主控参数主控参数其它载荷其它载荷压力压力 运动参数运动参数中垂中垂中拱中拱i iR (t)R (t)tttt

7、tttttttttt3.4.3 设计波法的一些应用设计波法的一些应用 1. 军规中的搜素法军规中的搜素法 波长波长 波幅的关系式波幅的关系式 迎浪状态，变化波长，取一系列规则波作为计算波浪。迎浪状态，变化波长，取一系列规则波作为计算波浪。 载荷的非线性响应（含砰击效应）载荷的非线性响应（含砰击效应） 2. 设计波法（动态载荷法）在共同规范中的应用设计波法（动态载荷法）在共同规范中的应用 1）HCSR等效设计波法概述等效设计波法概述 主要：主要：a）迎浪中拱）迎浪中拱/中垂弯矩（舯部）中垂弯矩（舯部） b) 迎浪中部货舱前壁处最大迎浪中部货舱前壁处最大/最小（中拱最小（中拱/中垂）剪力中垂）剪力

8、 横浪：舱内最大垂向加速度（横浪）横浪：舱内最大垂向加速度（横浪） 斜浪：舯横剖面处最大斜浪：舯横剖面处最大/最小水平弯矩（中拱）最小水平弯矩（中拱） b概率水平概率水平 （25年寿命期）年寿命期） c载荷组合系数载荷组合系数- -8 81 10 0i主主要要载载荷荷参参数数瞬瞬时时最最大大值值（某某工工况况）CF =CF =该该参参数数长长期期值值（设设计计值值） 主要载荷系数主要载荷系数 其它载荷分量的载荷组合系数其它载荷分量的载荷组合系数(因数因数)jaiijRAOcos( ) LCF载载荷荷分分数数 j j 的的瞬瞬时时值值该该参参数数的的长长期期值值该该参参数数的的长长期期值值 ：

9、ai主主要要载载荷荷参参数数i i对对应应设设计计波波波波幅幅jRAOj ： 载载荷荷分分量量 的的响响应应幅幅值值算算子子2 2）动态载荷状态）动态载荷状态 HSM迎浪时船中部垂向波浪弯矩达到最小或最大值时的等效设计波迎浪时船中部垂向波浪弯矩达到最小或最大值时的等效设计波HSA迎浪时船首垂线处的垂向加速度达到最小或最大值时的等效设计波迎浪时船首垂线处的垂向加速度达到最小或最大值时的等效设计波FSM随浪时船中部的垂向波浪弯矩达到最小或最大值时的等效设计波随浪时船中部的垂向波浪弯矩达到最小或最大值时的等效设计波BSR横浪时船横摇运动达到最小或最大值时的等效设计波横浪时船横摇运动达到最小或最大值时

10、的等效设计波BSP横浪时船中水线处水动压力达到最小或最大时的等效设计波横浪时船中水线处水动压力达到最小或最大时的等效设计波OST斜浪时船在斜浪时船在0.25L处的扭矩达到最小或最大时的等效设计波处的扭矩达到最小或最大时的等效设计波OSA斜浪时船纵摇加速度达到最小或最大值时的等效设计波斜浪时船纵摇加速度达到最小或最大值时的等效设计波3 3）船舶运动和加速度（设计值）船舶运动和加速度（设计值）船舶运动船舶运动横摇横摇纵摇纵摇gGMkTr3 . 29000 1.250.02575pBKTf fBgT22 . 194. 057. 20 . 11350gLLfp船舶重心处加船舶重心处加速度速度纵荡纵荡纵

11、摇纵摇横摇横摇垂荡垂荡横荡横荡00.2surgepaf a ggafapsway03 . 0gafapheave022180Tfaproll221800 . 11 . 3TgLfappitch4 4）船体梁载荷）船体梁载荷垂向静水弯矩垂向静水弯矩船体梁载荷船体梁载荷垂向静水剪力垂向静水剪力垂向波浪弯矩垂向波浪弯矩垂向波浪弯矩垂向波浪弯矩水平波浪弯矩水平波浪弯矩波浪扭矩波浪扭矩垂向静水弯矩垂向静水弯矩 垂向静水剪力垂向静水剪力 船体梁波浪载荷（设计值）船体梁波浪载荷（设计值） 载荷工况下的船体梁动载荷计算载荷工况下的船体梁动载荷计算 5 5）外部水动压力载荷）外部水动压力载荷外部载荷外部载荷舷外

12、水压力舷外水压力露天甲板的外部露天甲板的外部压力压力海水静压力海水静压力海水动压力海水动压力上浪载荷上浪载荷承载载荷承载载荷船首区域外部砰船首区域外部砰击压力击压力船底砰击压力船底砰击压力船首冲击压力船首冲击压力舱口盖的外部压舱口盖的外部压力力 船底砰击压力：船底砰击压力： 船首冲击压力：船首冲击压力：wlimFBFBFBVcfpsin025. 126 6）内部载荷）内部载荷内部载荷内部载荷液体引起的载荷液体引起的载荷干散货引起的载荷干散货引起的载荷静压力静压力动压力动压力由分布力引起的载荷由分布力引起的载荷单位载荷引起的集中力单位载荷引起的集中力遮蔽甲板和平台上的遮蔽甲板和平台上的载荷载荷货

13、舱中的晃荡压力货舱中的晃荡压力进水情况进水情况静压力静压力动压力动压力进水情况进水情况最小晃荡压力最小晃荡压力液体纵向运动产生的晃荡压力液体纵向运动产生的晃荡压力液体横向运动产生的晃荡压力液体横向运动产生的晃荡压力 7）规范化动态载荷组合参数，见附录）规范化动态载荷组合参数，见附录主控参数主控参数其它载荷其它载荷压力压力 运动参数运动参数3. 海洋平台波浪载荷的设计波法海洋平台波浪载荷的设计波法 确定作用于平台浮体上的波浪载荷的设计波法：确定作用于平台浮体上的波浪载荷的设计波法： 一般以一般以100年一遇的最大规则波作为设计波，然后年一遇的最大规则波作为设计波，然后计算作用在平台上的使用载荷和

14、环境载荷以及在这些计算作用在平台上的使用载荷和环境载荷以及在这些载荷作用下的构件应力，并根据规范的强度衡准来校载荷作用下的构件应力，并根据规范的强度衡准来校核平台的结构安全性。核平台的结构安全性。设计波参数的确定方法设计波参数的确定方法1 1）确定性方法（）确定性方法（Deterministic MethodDeterministic Method） 以业主指定的最大规则波波陡为基础来确定设计规以业主指定的最大规则波波陡为基础来确定设计规 则波波高。则波波高。2 2）随机性方法（）随机性方法（Stochastic MethodStochastic Method） 它是建立在海况统计特征上的，考

15、虑了实际海面的它是建立在海况统计特征上的，考虑了实际海面的随机性和不规则性随机性和不规则性, ,用于分析不规则海浪对平台的作用。用于分析不规则海浪对平台的作用。一、确定性方法选择设计规则波波浪参数一、确定性方法选择设计规则波波浪参数 通过平台某些特征响应量确定：通过平台某些特征响应量确定： 1) 浮筒间的分离力浮筒间的分离力 FS 2) 关于横轴的扭矩关于横轴的扭矩 MT 3) 浮筒间的纵向剪切力浮筒间的纵向剪切力 FL 4) 浮筒上的垂向波浪弯矩浮筒上的垂向波浪弯矩 MV 5) 甲板的纵向加速度甲板的纵向加速度 aL 6) 甲板的横向加速度甲板的横向加速度 aT 7) 甲板的垂向加速度甲板的

16、垂向加速度 aV 对应每个特征响应量，用以下方法确定对应每个特征响应量，用以下方法确定设计波的波浪参数设计波的波浪参数1、基于平台尺度特征确定危险浪向和危险波长、基于平台尺度特征确定危险浪向和危险波长Lc（近似周期（近似周期Tc）2、计算响应幅值算子、计算响应幅值算子RAOs（单位波幅）（单位波幅）3、根据业主选择的设计波环境和规则波波陡计算式确定、根据业主选择的设计波环境和规则波波陡计算式确定“极限极限规则波波高规则波波高”4、RAOs与相对应的与相对应的“极限规则波高极限规则波高”相乘得到响应载荷相乘得到响应载荷5、步骤、步骤4计算得到的最大响应载荷所对应的波高和周期就是强度计算得到的最大

17、响应载荷所对应的波高和周期就是强度设计评估所需的规则波波浪参数。设计评估所需的规则波波浪参数。 （S为波陡）为波陡）确定性方法选择设计波的流程图确定性方法选择设计波的流程图浪向说明：浪向说明：X轴正向为轴正向为0浮筒间的分离力浮筒间的分离力 F FS S 横浪（浪向角横浪（浪向角=90=90）、波长约等于浮筒外侧宽度的）、波长约等于浮筒外侧宽度的两倍，波峰位于中线，纵向浮筒间的分离力达到最大值两倍，波峰位于中线，纵向浮筒间的分离力达到最大值。 由图示可以看出，横浪情况下分离力响应最大。并且随由图示可以看出，横浪情况下分离力响应最大。并且随着浪向与平台纵轴的夹角的减小分离力明显减小。着浪向与平台

18、纵轴的夹角的减小分离力明显减小。 关于横轴的关于横轴的扭矩扭矩 M MT T 斜浪（浪向角斜浪（浪向角=30=306060, 指浪向与平台纵轴的指浪向与平台纵轴的交角交角），波长约等于浮筒两端对角线长，波谷位于对角），波长约等于浮筒两端对角线长，波谷位于对角线中心时扭矩将达到最大值。线中心时扭矩将达到最大值。 从图示可以看出，关于横轴的扭转力矩对浪向不敏感，除迎浪和横浪从图示可以看出，关于横轴的扭转力矩对浪向不敏感，除迎浪和横浪 外其余浪向都比较接近。但在浪向角为外其余浪向都比较接近。但在浪向角为135和和120附近达到最大值。附近达到最大值。浮筒间的纵向浮筒间的纵向剪切力剪切力 F FL L

19、 斜浪（浪向角斜浪（浪向角=30=306060 ），波长约等于浮筒两），波长约等于浮筒两端对角线长的端对角线长的1.51.5倍，波谷位于对角线时浮筒间的纵向剪倍，波谷位于对角线时浮筒间的纵向剪切力达到最大值。切力达到最大值。 从上图可以看到，斜浪状态下每条曲线都出现从上图可以看到，斜浪状态下每条曲线都出现2个峰个峰值，而且前后两个峰值按照浪向角呈反对称分布。值，而且前后两个峰值按照浪向角呈反对称分布。浮筒上的垂向波浪弯矩浮筒上的垂向波浪弯矩 M MV V 迎浪或随浪（浪向角迎浪或随浪（浪向角=0=0或或 =180=180 ），波长），波长约等于浮筒长度，波峰位于船中或波谷位于船中呈对称约等于浮

20、筒长度，波峰位于船中或波谷位于船中呈对称分布的情况下，浮筒上将会产生最大的垂向波浪弯矩。分布的情况下，浮筒上将会产生最大的垂向波浪弯矩。 从上图可以看到，响应曲线有两个波峰，后一个由于从上图可以看到，响应曲线有两个波峰，后一个由于波长增大响应出现增大的波动。波长增大响应出现增大的波动。由于平台下浮体与船体结构相似，因此当由于平台下浮体与船体结构相似，因此当/L1时，垂向波浪弯矩时，垂向波浪弯矩（中拱或中垂）响应达到最大值。此后当波长继续增加时，波高继（中拱或中垂）响应达到最大值。此后当波长继续增加时，波高继续增加，响应也逐渐增加产生第二个小波峰。续增加，响应也逐渐增加产生第二个小波峰。横轴改为

21、波长与浮筒长度的比值/L二、二、随机性方法确定设计波波浪参数随机性方法确定设计波波浪参数 1）概）概 述述 当波浪环境以谱的形式（不规则波）描述时，一般采当波浪环境以谱的形式（不规则波）描述时，一般采用随机性方法来确定设计规则波的幅值和周期，它是以短用随机性方法来确定设计规则波的幅值和周期，它是以短期预报，即每个载荷特征的短期响应最大值为基础的。期预报，即每个载荷特征的短期响应最大值为基础的。 采用该方法时，对于一定范围的不规则波周期，需考采用该方法时，对于一定范围的不规则波周期，需考虑业主选择的波浪所对应的极限平均波陡（为了确定设计有虑业主选择的波浪所对应的极限平均波陡（为了确定设计有义波高

22、），它通过有义波高和平均跨零周期来定义。义波高），它通过有义波高和平均跨零周期来定义。 假设浮体对波浪作用的响应是线性关系，在得到各子规则假设浮体对波浪作用的响应是线性关系，在得到各子规则波中的幅频响应后，采用谱分析方法可得到不规则波中浮体波中的幅频响应后，采用谱分析方法可得到不规则波中浮体运动或波浪载荷的响应谱运动或波浪载荷的响应谱浮体运动与波浪载荷幅值的短期响应服从浮体运动与波浪载荷幅值的短期响应服从Rayleigh分布。该分分布。该分布的唯一参数布的唯一参数 由响应谱由响应谱 得到，即：得到，即：进而进而可得到船舶运动与波浪载荷短期预报的各种统计值，包括可得到船舶运动与波浪载荷短期预报的

23、各种统计值，包括均值和有义值等。其中，均值均值和有义值等。其中，均值 为为2）短期预报）短期预报有义值有义值 为为此外，可进一步求得短期响应的最大值此外，可进一步求得短期响应的最大值 ，短期响应最大值与有义，短期响应最大值与有义值的关系为：值的关系为： 式中式中 n 为该响应量的短期循环次数。目前为该响应量的短期循环次数。目前3小时极值在海洋工程中小时极值在海洋工程中应用的较多，其表达式为：应用的较多，其表达式为：代入代入 和和 到到 ，得到短期响应最大值为，得到短期响应最大值为 3）对应每个特征响应量，用以下方法确定）对应每个特征响应量，用以下方法确定设计波的波浪参数设计波的波浪参数1、基于

24、平台尺度特征和整体水动力载荷特征响应量确定危险浪向和危险、基于平台尺度特征和整体水动力载荷特征响应量确定危险浪向和危险波长波长Lc（或近似危险周期（或近似危险周期Tc）2、计算响应幅值算子、计算响应幅值算子RAOs（单位波幅），波浪周期范围约（单位波幅），波浪周期范围约325S，并，并确定危险周期（确定危险周期（Tc）3、对于平均跨零周期（、对于平均跨零周期（Tz，318S，间隔，间隔1S）和基于业主指定的极限）和基于业主指定的极限波陡计算设计有义波高（波陡计算设计有义波高（Hs）4、基于步骤、基于步骤3确定的确定的Tz和和Hs，选择合适的海浪谱，选择合适的海浪谱(如如JONSWAP谱、谱、P-M谱等谱等)计算波能谱密度计算波能谱密度Sw(