基于SESAM的船体波浪载荷与结构强度直接计算方法研究

来源:用户上传      作者:马英华 朱雨生 曹俊伟

　　摘要：随着海上任务的多样化，船体结构所受载荷变得复杂多样。本文以某船为研究对象，基于三维线性势流理论建立水动力模型，运用等效设计波方法对其在典型工况作业下主船体和基座局部结构强度进行了计算，并按照相关规范中规定的强度标准对主要构件进行了强度评估。结果表明，基于SESAM的船体波浪载荷与结构强度直接计算方法适用载荷复杂的船体强度计算。
　　关键词：波浪载荷直接计算;有限元分析;船体强度
　　中图分类号：TV698文献标识码：A文章编号：1006―7973（2022）08-0059-04
　　随着海上作业方式的多样化，特种船的综合使命功能多样。不同的作业功能所遭受的波浪载荷差异较大。而不同的波浪载荷作用下船体结构强度有所不同。船体结构强度评估对船舶安全至关重要，然而现有规范主要针对常规船型，对于主尺度比超出规范规定的适用范围，在强度计算时，不能再使用规范波浪载荷，需要寻找适用的波浪载荷和结构强度计算方法。
　　关于船体结构强度计算方法研究的学者较多。其中，许[[等人[1]对典型工况下起重船舱段和起重基座的有限元模型进行了强度分析，提出了一些关于起重船结构设计方面的合理建议。王国学等人[2]对SL151起重船总纵强度进行了计算，给出了新旧船体结合附近结构优化方案。安改宁[3]基于等效设计波法对大型起重船进行有限元分析，提出了全船直接计算方法。赵尚辉[4]等人以整船有限元计算结果为边界，对救生船中央月池开口部位的应力集中问题进行分析，与光弹性试验结果进行比较，结果较为吻合。邳帅[5]运用MOSES软件建立起重船有限元模型，结合三维势流理论，研究了起重船对南海海况的适用性问题。马亮等人[6]结合CCS相关规范对起重船上旋转吊机对其强度和屈曲进行了校核。
　　从上述学者中的研究中可以发现，目前针对某特种船结构强度计算时，波浪载荷主要采用规范中经验公式，对超规范设计船舶的波浪载荷研究较少。对于超规范设计的工作船，其波浪载荷需要采用水动力软件开展波浪载荷直接计算，之后才能开展船体结构强度校核。本文基于三维线性势流理论，采用DNV的SESAM软件建立水动力模型，运用等效设计波方法对工作船船体结构强度进行了有限元分析，并结合CCS规范[7]对船体结构强度进行了校核。
　　1主尺度
　　某船的主船体为单甲板、双底的纵骨架式结构，主尺度见表1。
　　主尺度比值：L/B=2.481<5，B/D=5.975>2.5，超出规范主尺度要求，波浪载荷和船体强度均应采用直接计算。
　　2波浪载荷直接计算
　　2.1水动力模型
　　本文所使用的波浪载直接计算方法基于三维线性势流理论，采用DNV的SESAM软件。波浪谱为P-M双参数谱，波浪资料采用IACS推荐波浪长期统计资料，波浪载荷设计计算值取为10-8概率水平（代表设计寿命为20年）。坐标系统采用右手坐标系，原点位于Fr0船底中线处，在X轴向船首为正方向，Y轴向左舷为正方向，Z轴向上为正方向，Panel模型见图1。
　　2.2波浪浪向和频率
　　计算共选取了13个浪向角：0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°、105°、120°、135°、150°、165°、180°，每隔30°一个浪向角。以0.1作为频率的间隔，范围从0.1到3.0，共30个频率。同时在长期预报的过程中，认为这13个浪向角作用在船体上的概率上相等的，即每个浪向角的概率为1/13=0.0769。选取距离尾垂线1/4L、1/2L、3/4L处的三个剖面计算起波浪直接载荷，横剖面的设置如图2。
　　2.3\动响应结果
　　根据《钢质海船入级规范》（2021年版）对某新型工作船的总纵强度校核的规定，计算工况包括调迁和起重工况，工况1：满载甲板货出港，工况2：压载到港，工况3：98%燃料及备品作业68°（500t），工况4：98%燃料及备品作业68°（500t，吊机朝艉）。船体外壳上的水动力以及各种在单位规则波作用下的剪力、弯矩、扭矩等都是船体运动和载荷的传递函数。选取横截面2进行船舯垂直弯矩传递函数的分析，如图3所示。计算出主要载荷控制参数的传递函数之后，将传递函数与实际的波浪环境参数相结合即为船体主要载荷参数的长期预报值。对典型装载工况下控制波的波幅、波长、浪向等参数进行计算，得到设计波参数如表2所示。设计波方程如下：
　　式中：h为波幅，m;d为吃水，m;为半波高，m;为波长，m;α为浪向角;P为单元压力，MPa。
　　3有限元强度分析
　　3.1计算模型
　　依据《钢质海船入级规范》（2021年版）第1章第5节“结构强度直接计算”的有关规定，运用PATRAN对整船进行有限元建模，包括强力甲板及以下整个船长、船宽范围内的船体结构。有限元模型如图4所示。船体结构采用Q235和AH36两种钢材，具体材料布置见表3。
　　3.2计算载荷
　　计算载荷包括舷外水压力、结构自重和压载以及起重载荷。
　　（1）舷外水压力。根据波浪载荷直接计算结果将舷外水压力载荷按压力分布施加到表面各单元上，标准计算波的波形取为余弦波，解析场坐标系原点设置在船舶重心位置，通过对坐标系进行旋转实现对浪向的模拟。
　　（2）结构自重和压载。船体重量以节点力的形式施加，依据“船体重量重心计算书”调整重量重心，压载水重量根据实际重量施加对应的舱室。
　　（3）起重载荷。在基座构件模型的最顶端端面的几何形心处创建MPC点，将起重机的载荷施加在MPC点。
　　3.3边界条件
　　对整体模型施加约束：首端点施加线位移约束：u1x=u1y=u1z=0，尾部端点施加u2y=u2z=0，u3z=0。
　　4强度校核
　　4.1许用值

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