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波激振动和砰击颤振对大型油船疲劳强度影响研究
张凡;胡嘉骏;汪雪良
【期刊名称】《船舶》
【年(卷),期】2015(000)0z1
【摘要】文章给出线性波激振动和砰击颤振引起的大型油船结构疲劳贡献度的计算方法。
基于三维线性水弹性理论可计算得到包括刚体和2节点的振动模态下的垂向弯矩的传递函数，采用谱分析法对某30万吨油船进行结构疲劳强度计算，分析波激振动对船体结构疲劳损伤影响；基于二维非线性波浪载荷程序（含砰击颤振的波浪载荷），采用时域方法对该油船进行船体梁弯矩计算，分析砰击颤振对船体梁弯矩及疲劳载荷的影响；结果表明对于该类大型油船波激振动和砰击颤振对船体的结构疲劳损伤的影响不可忽略。
【总页数】6页(P62-67)
【作者】张凡;胡嘉骏;汪雪良
【作者单位】中国船舶科学研究中心无锡214082;中国船舶科学研究中心无锡214082;中国船舶科学研究中心无锡214082
【正文语种】中文
【中图分类】U661.4
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5.6750箱集装箱船非线性波激振动和颤振响应分析 [J], 杨鹏; 顾学康; 彭正梁; 吴东伟; 张凯
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船舶结构强度与疲劳强度的计算技术研究船舶结构的强度与疲劳强度一直是船舶设计与建造领域的重点研究方向之一。
随着船舶尺寸不断增大、载重量不断增加、作业环境不断恶化，船舶在航行中所受到的振动载荷和外部环境的复杂作用也在增加，船舶结构的强度与疲劳强度分析就显得更加重要。
本文将对船舶结构强度与疲劳强度的计算技术进行研究，探讨其在船舶设计与建造中的应用。
一、船舶结构强度计算技术研究船舶结构强度计算技术是指根据船舶结构的设计要求和工作条件，对船舶结构进行强度分析和计算，并确保船舶结构在各种加载条件下均能满足安全使用要求的技术方法。
船舶结构强度计算技术主要包括静态强度计算和动态强度计算两部分。
1.1 静态强度计算静态强度计算是指在船舶静止状态下，根据船舶的结构特点和受力情况，采用理论分析、有限元分析等方法，计算船舶结构在各种静态工况下的受力和变形情况，从而确定船舶结构的受力状态和强度等级。
静态强度计算主要包括船体强度、船舶上层建筑强度、船舶底部结构强度等方面。
静态强度计算的关键是确定船舶的受力状态和受力分布，采用合适的受力模型和数值模拟方法进行计算分析。
2.1 疲劳载荷分析疲劳载荷分析是指根据船舶的航行和作业工况，对船舶受到的振动载荷和外部环境的作用进行分析和计算，确定船舶结构在不同工况下的疲劳载荷和疲劳循环数。
疲劳载荷分析的关键是确定船舶在不同工况下的振动载荷和外部环境作用，采用合适的振动模型和数值模拟方法进行计算分析。
2.3 疲劳强度评估疲劳强度评估是指根据疲劳寿命预测结果，对船舶结构的疲劳强度进行评估和计算，确定船舶结构在使用寿命内的疲劳安全性。
疲劳强度评估的关键是根据船舶结构在不同工况下的疲劳载荷和疲劳寿命预测结果，采用合适的评估方法和标准进行计算分析。
三、船舶结构强度与疲劳强度计算技术的应用船舶结构强度与疲劳强度计算技术在船舶设计与建造中具有重要的应用价值。
它可以确保船舶结构在静态和动态工况下的受力和振动情况符合设计要求，保证船舶结构的安全性和稳定性。
《船体结构疲劳强度指南》船体结构的疲劳强度指南是为了帮助船舶的设计和维护工程师正确评估和处理船体在长期使用过程中可能产生的疲劳破坏问题而编制的一本指导手册。
本文将介绍船体结构疲劳强度指南的内容和目的，并说明其对船舶设计和维护的重要性。
船体是船舶的基本骨架，支撑着船舶的各个部分及其载荷，承受着各种力量和应力作用。
由于航海环境的复杂性和船舶的使用特点，船体在长期使用过程中可能会受到疲劳破坏的影响。
船体的疲劳破坏可能导致严重的安全问题和经济损失，因此对船体疲劳强度进行合理的评估和控制是十分重要的。
船体结构疲劳强度指南主要包括以下内容：1.船体疲劳强度评估方法：介绍船体疲劳强度评估的基本原理、方法和步骤。
包括载荷和应力计算方法、疲劳寿命预测方法以及疲劳裕度的评估方法等。
2. 疲劳强度评估标准和准则：提供了船体疲劳强度评估的标准和准则。
根据国际海事组织（IMO）和国际船级社会（ClassNK）等相关规定和要求，对船体疲劳裕度、疲劳寿命和疲劳强度等方面的评估标准进行了详细的说明和解释。
3.疲劳强度改进方法和措施：根据船体结构的特点和疲劳破坏的原因，提供了一些改进船体疲劳强度的方法和措施。
包括材料选择、结构设计、焊接工艺、船舶操作和维护等方面的内容。
4.疲劳监测和维护方法：介绍了船体疲劳监测和维护的方法。
包括结构应力监测、疲劳损伤识别和评估、疲劳裂纹的检测和修复等方面的内容。
并提供了相应的监测和维护工具和设备的使用指南。
船体结构疲劳强度指南的目的是为了帮助船舶设计和维护工程师正确评估和处理船体疲劳破坏问题，确保船舶的安全运行和寿命。
船体疲劳强度评估和控制是船舶设计和维护的关键环节，对于船舶的性能和可靠性具有重要影响。
船舶设计阶段，通过科学的疲劳强度评估和改进措施的设计，可以最大限度地提高船体的疲劳寿命，减少疲劳破坏带来的安全风险和维修成本。
船舶维护阶段，通过定期的疲劳监测和维护，可以及时发现和修复船体的疲劳损伤，防止其进一步发展和扩大，并延长船舶的使用寿命。
第8章 砰击、冲荡和弹振8.1 引论在高速船的结构设计中，砰击（水力冲击）是很重要的。
而且，砰击往往是让船长决定减速的重要因素，也是计算运行限制的重要因素。
一条常用的衡准是：如果在经过船的100个波浪中，砰击发生超过3次，那么船长会主动减速。
砰击的概率是是通过对砰击发生时的相对冲击速度，设定阈值而得到的。
在谈到这么一个阈值速度时，时常会有一些误解。
砰击作为一个物理过程是没有阈值的。
而且，传统的定义阈值速度的方法，也不能反应结构形状的影响。
例如，对于一条首部形线比较修长的高速艇来讲，传统方法认为，砰击会在船首发生，但事实上这不是个问题。
为了提出更好的判定规则，对高速船的湿甲板及典型的船舶结构砰击，进行理论模型及水池试验研究是必要的。
这也是发展合理的衡准，用以判定由砰击引起的运行限制的需要。
这样产生的衡准，应该和结构设计中的砰击载荷联系起来，或者更理想地和砰击引起引起的结构响应联系起来。
湿甲板砰击对于多船体是重要的。
湿甲板是连接多体船相邻侧体间的横向结构的最低部分。
湿甲板的横向剖面是楔形的，有一个斜升角w β。
有些船的斜升角可能是零，有些船的斜升角可能很大，例如穿浪型双体船。
当两侧边船体由于船和水的相对运动而露出水面时，船体的砰击会随后发生。
斜升角β比较大，局部砰击力可以认为并不重要。
但是，这还要取决于相对冲击速度R V 。
当β大于5°，在R V 是常量时，最大的砰击压力和2R V 成正比。
对侧边船体更危险的情形，一个陡波冲击到侧边船体上，而冲击的自由液面和船体表面之间的夹角R β比较小。
横摇的出现会减小R β，进而引起砰击力的增加。
砰击力对R β是敏感的，特别是对小的R β。
另一种情形是甲板上浪。
这是由于船在尾随浪中船头钻入水中引起的，特别是在大的波浪中减速，从而遭遇频率变小的情况下发生的，但也可以是船体和水体之间垂向相对运动过大的结果。
这时水就会以翻卷破碎的形式冲上甲板，引起对甲板的砰击载荷。
设备激振力对船体板架构件的刚强度影响分析【摘要】本文应用大型有限元软件ANSYS软件对部分船体板架在受设备激振力和不受设备激振力两种情况进行计算，并就计算结果进行对比分析。
结果显示，往往被我们忽视的激振力对船舶板架结构强度的影响不容忽视。
【关键词】船体；板架结构；激振力；应力；变形0.引言在船上，某些设备在运转时就相当于激振器会产生激振力，而这些激振力也同时会施加到设备所在的甲板上。
在考虑设备与船体板架结构自身的重力作用下，本文就考虑受设备激振力和不受设备激振力两种情况进行计算分析，研究船体板架结构应力与变形状况。
1.有限元模型的建立船体板架结构是由板材和型材构成，本文的计算模型是尺寸为4x4m的板材，厚度为10mm，板材上加有横梁和纵桁。
横梁用球扁钢，尺寸为3x300mm。
纵桁用T型钢，腹板的尺寸为5x300mm,面板的尺寸为5x200mm。
此模型采用ANSYS进行有限元分析，在建立模型时采用的是SHELL181四节点的壳体单元和BEAM188是三维线性二次梁单元来分别建立板材和横梁纵骨。
板材四端的边界条件为刚性固定。
所用钢材的密度是7800kg/m3，弹性模量是2×1011Pa,泊松比是0.3。
有限元模型如图1所示。
图1有限元模型2.构件的受力分析在设备重力的作用下，板材直接受到压力。
基于偏安全性的考虑,此时有限元模型中间2x2的板材处会受到一个面积载荷，约5000N的力。
在设备运转时，产生的最大激振力大约是500N。
板架的四端固支。
钢板在载荷的作用下，板架结构的应力和变形会有一定的变化。
此时进行两种情况加载：一是在计算时不加激振力，加载为5000N;另一种是加激振力，加载为5500N。
3.结果分析板架受力自然会产生一定的弯矩和剪力，由此就会有挠度的生成，以及在物体内各部分之间产生抵抗外力的内力。
利用有限元软件可以很容易模拟板架在受力时的真实情况，反映实际结构的工作性能。
当软件完成计算以后，可以通过后处理模块来查看结果。
大型油船和散货船波激振动及其对结构疲劳寿命的影响杨鹏;顾学康;丁军;张凡;胡嘉骏【摘要】Based on the springing model tests of one large oil tanker and bulk carrier, the phenomenon of springing is investigated; the influence of springing to structural fatigue is calculated by stress data for short-term sea state measured from model tests. Moreover, one simplified method is proposed to analyze the springing in short-term sea state and the influence to structural fatigue. And, the influences of springing to structural fatigue in long-term sea state for some typical sea routes are studied. The results show that the oil tanker and bulk carrier have obvious springing under ballast condition, which is different for various routes. The simplified method could assess the fatigue damage due to springing properly, and which has some practical value in engineering.%通过一艘大型油船和一艘大型散货船在水池中的波激振动模型试验，研究了规则波和不规则波中的船体波激振动现象，利用试验获得的短期海况下的高低频应力数据计算分析了波激振动对实船典型结构疲劳损伤的影响。
中 国 船 级 社波激振动和砰击颤振对船体结构疲劳强度影响计算指南北京2015年1月指导性文件GUIDANCE NOTESGD01-2015简要编写说明船舶在海浪环境的波浪力作用下会产生波激振动和砰击颤振现象（对该现象的介绍见正文第1章），这种现象将对船舶结构疲劳寿命产生影响。
本社就波激振动和砰击颤振对船体结构疲劳强度的影响进行了相关研究，该研究包括模型水池试验研究和理论计算分析。
研究表明：波激和砰击诱导船体梁振动所产生的垂向波浪弯矩高频分量对船体结构疲劳损伤有一定的贡献。
基于上述研究并参考国内外该领域的研究成果，本社编制了《波激振动和砰击颤振对船体结构疲劳强度影响计算指南》，本指南旨在为评估波激和砰击诱导的船舶振动对结构疲劳的影响提供计算指导性文件。
本指南采用载荷直接计算、水弹性分析和疲劳损伤等效的方法算得波激振动和砰击颤振对疲劳强度影响相关的垂向波浪弯矩的影响系数。
本指南应与本社的相关疲劳评估指南或规范一并使用进行船舶结构的疲劳评估。
目 录第1章 波激振动和砰击颤振现象 (1)1.1 波激振动现象 (1)1.2 砰击颤振现象 (1)第2章 一般要求 (2)2.1 适用范围 (2)2.2 基本假定 (3)2.3 波激振动和砰击颤振计算要求 (3)2.4 波激振动和砰击颤振对疲劳强度影响计算流程 (3)2.5 符号规定 (4)第3章 基本条件 (5)3.1 装载工况 (5)3.2 波浪环境 (6)3.3 S-N曲线 (6)第4章 线性波激振动对船体结构疲劳强度影响计算 (6)4.1 疲劳损伤计算 (6)4.2 线性波激振动对疲劳损伤的贡献度 (10)第5章 非线性砰击颤振和波激振动对船体结构疲劳强度影响计算 (10)5.1 应力响应 (10)5.2 疲劳损伤计算 (10)5.3 非线性砰击颤振和波激振动对疲劳损伤的贡献度 (11)第6章 船体结构疲劳强度评估 (11)6.1 计及线性波激振动影响的疲劳强度评估 (11)6.2 计及非线性砰击颤振和波激振动影响的疲劳强度评估 (12)附录波激振动和砰击颤振计算参数 (13)第1章 波激振动和砰击颤振现象1.1 波激振动现象1.1.1 当船体结构刚度较低、航速较高时，船体结构在波浪力激励下会产生所谓的“波激振动”现象。
这是一种船体结构与波浪载荷间的共振现象，由于船体结构是一个小阻尼系统，共振现象持续时间较长。
波激振动一般在船体一阶总振动频率等于或接近船舶在波浪中航行时波浪遭遇频率时发生，也就是线性波激振动；当船体一阶总振动频率等于或接近波浪遭遇频率（规则波）的整数倍或双色（或多色）规则波的和频时，船体也会产生波激振动，即为非线性波激振动。
1.1.2 波激振动一般在中低浪级下发生，主要影响结构的疲劳强度。
船舶模型水池试验时测量到的船中剖面垂向弯矩波激振动响应时域曲线见图 1.1.2，图中的低频曲线为波浪弯矩的低频（波频）分量。
测量曲线中包含了明显的船体梁总振动成分，经滤波处理后获得高频（船体梁一阶总振动频率）分量曲线，且持续出现、没有明显的衰减，是一种波激振动现象。
1.1.3线性波激振动可采用线性频域水弹性谱分析方法进行计算预报。
图1.1.2 典型波激振动垂向弯矩时域曲线1.2 砰击颤振现象1.2.1 船舶在海上航行过程中，由于受波浪的作用，船体进行六自由度运动，船体结构会产生变形。
在一般情况下，船体受到的波浪载荷和结构中的应力应变随时间的变化是一Time(s)V B M (k g .c m )Time(s)V B M (k g .c m )个缓慢的、随机的、与波浪特征一致的过程。
当船体以较高航速在中高浪级中航行时，剧烈的船波相对运动会使船体受到波浪的冲击，船体由于砰击载荷的作用而发生振颤，产生所谓的“颤振”现象。
这种现象产生于砰击瞬时，由于船体和水动力阻尼的存在而快速衰减。
1.2.2颤振不仅使船体结构中的总应力水平达到较高的量级，影响结构极限强度，而且其高频特征（主要是船体梁一阶垂向总振动频率）也会影响结构的疲劳强度。
船舶模型水池试验时测量到的船中剖面垂向弯矩砰击颤振响应时域测量曲线见图 1.2.2，图中的低频曲线为波浪弯矩的低频（波频）分量。
测量曲线中包含了明显的船体梁总振动成分，经滤波处理后获得高频（船体梁总振动频率）分量曲线，且有明显的衰减，是一种砰击颤振现象。
1.2.3由于砰击颤振的强非线性特征，应采用非线性时域水弹性和统计分析方法进行计算预报。
垂向弯矩测量曲线低频分量高频分量图1.2.2 典型砰击颤振垂向弯矩时域曲线第2章 一般要求2.1适用范围2.1.1本指南规定了波激振动和砰击颤振对船体结构疲劳强度影响的计算方法，适用于申请2.1.2附加标志的船舶。
2.1.2附加标志按照本指南6.1进行疲劳评估的船舶，可授予附加标志SAF。
按照本指南6.2进行疲劳评估的船舶，可授予附加标志SWAF。
2.1.3本指南应与本社相关疲劳评估指南或规范一并使用进行船舶结构的疲劳评估。
2.2基本假定2.2.1仅考虑波激振动和砰击颤振对船体梁垂向波浪弯矩的影响。
2.2.2载荷直接计算方法应用于波激和砰击效应的影响分析。
2.2.3用于计算波激振动和砰击颤振对疲劳强度影响的疲劳强度计算方法、海浪环境、S-N曲线、评估节点、设计疲劳寿命等应与本社相应的疲劳评估指南或规范的规定一致。
2.2.4计及波激振动和砰击颤振影响的疲劳评估衡准应与本社相应的疲劳评估指南或规范的规定一致。
2.2.5船体梁垂向振动应取至少前三阶振型。
2.3波激振动和砰击颤振计算要求2.3.1水动力计算（1） 如采用三维水动力模型计算，其网格划分应考虑与最小遭遇波长、航速及不规则波频的匹配，以达到稳定收敛的数值解。
（2） 应根据稳性手册校验每种计算工况下水动力模型的首尾吃水、重心、重量分布以及横摇和纵摇惯性半径。
（3） 初稳性高应考虑对未装满液舱的自由液面修正。
（4） 粘性横摇阻尼可采用试验或经验公式确定，如没有适用的系数，可取为5%的临界阻尼值。
2.3.2振动模态计算可将船体结构简化为两端自由的变截面梁模型（至少21个剖面），一般可采用迁移矩阵法或有限元方法计算船体梁振动的干模态，并应考虑船体长度方向上的重量分布、剖面惯性矩、剖面弯曲刚度及剪切刚度。
2.3.3船体结构的应力响应可采用梁模型或有限元等方法进行计算。
2.3.4结构阻尼可采用试验或经验公式确定，如无适用的系数，可分别取1%和3%临界阻尼值用于压载和满载工况。
2.4波激振动和砰击颤振对疲劳强度影响计算流程2.4.1计及线性波激振动影响的船舶结构疲劳强度评估基于线性水弹性理论和谱分析方法，计算船体梁垂向波浪弯矩。
算得的波浪弯矩包含低频和高频分量，其中，低频分量为不含波激振动影响的垂向波浪弯矩（即，波频分量），高频分量为波激振动诱导的垂向波浪弯矩，总弯矩为包含低频分量和高频分量的垂向波浪弯矩。
分别将垂向波浪弯矩的波频分量和总弯矩的响应应用于疲劳损伤计算，并按如下流程分析波激振动对船体结构疲劳强度的影响。
（1） 确定装载工况和航速等。
（2） 选取波浪环境资料，如，海浪散布图、海浪谱等。
（3） 计算垂向波浪弯矩低频分量及其诱导应力传递函数（RAO）、应力响应统计值和疲劳损伤。
（4） 计算船体水弹性总弯矩及其诱导应力传递函数（RAO）、应力响应统计值和疲劳损伤。
（5） 计算线性波激振动对疲劳损伤贡献度和影响系数。
（6） 计及线性波激振动影响的疲劳强度评估。
2.4.2计及非线性砰击颤振和波激振动影响的船舶结构疲劳强度评估基于非线性波浪载荷时域分析方法，计算船体梁垂向波浪弯矩的时间历程，该波浪弯矩包含砰击颤振和波激振动诱导弯矩。
算得的波浪弯矩包含低频和高频分量，其中，低频分量为不含砰击颤振和波激振动影响的垂向波浪弯矩（即，波频分量），高频分量为砰击颤振和波激振动诱导的垂向波浪弯矩，总弯矩为包含低频分量和高频分量的垂向波浪弯矩。
分别将垂向波浪弯矩波频分量和总弯矩的应力响应应用于疲劳损伤计算，并按如下流程分析砰击颤振和波激振动对船体结构疲劳强度的影响。
（1） 确定装载工况和航速等。
（2） 选取波浪环境资料，如，海浪散布图、海浪谱。
（3） 计算各装载工况、海况和浪向下低频垂向波浪弯矩及其诱导应力的时间历程、相应的疲劳累积损伤和总疲劳损伤。
（4） 计算各装载工况、海况和浪向下总弯矩及其诱导应力的时间历程、相应的疲劳累积损伤和总疲劳损伤。
（5） 计算非线性砰击颤振和波激振动对疲劳损伤贡献度和影响系数。
（6） 计及非线性砰击颤振和波激振动影响的疲劳强度评估。
2.5符号规定—— 浪向角，随浪为0°，迎浪为180°；—— 计算航速，m/s，见3.2.3的定义，取不小于5kn；—— 船舶最大服务航速，m/s，为船舶在最深航行吃水、螺旋桨最大转速（RPM）和主机的相应最大持续功率（MCR）所保持的最大航速；g —— 重力加速度，取为9.81 m/s ；—— 波浪圆频率，rad/s；—— 有义波高，m；—— 应力范围，N/mm ；—— 对应于S的疲劳失效循环次数；、 —— S‐N曲线常数，见3.3.2；—— S‐N 曲线反斜率，见3.3.2；—— S‐N 曲线两段反斜率差，见3.3.2；—— S‐N曲线二线段交点处的应力范围值，N/mm ，见3.3.2；, —— 不完全GAMMA函数值；—— 完全GAMMA函数值；—— 计算疲劳寿命，以秒计，取为3.1557 10 ；—— 设计疲劳寿命，年；—— 船舶海上航行时间比例系数，可取为0.85或与本社相应的疲劳评估指南或规范规定一致；—— 分别为装载工况总数、海况总数、浪向总数；、 、ℎ、 、 —— 分别为第n装载工况、第j海况、第i浪向的发生概率；∆ , —— 船体梁垂向波浪弯矩产生的应力范围，N/mm ，根据本社相应的疲劳评估指南或规范要求获得；—— 应力范围长期Weibull分布的形状参数，根据本社相应的疲劳评估指南或规范规定选取；——对应于相应超越概率水平的循环数，根据本社相应的疲劳评估指南或规范规定选取。
第3章 基本条件3.1装载工况3.1.1用于本指南的装载工况一般应与本社相应疲劳评估指南或规范的规定一致，特殊情况另行考虑。
3.2 波浪环境3.2.1 海浪散布图海浪环境应与本社相应的疲劳评估指南或规范的规定一致。
北大西洋海浪环境可采用IACS Rec.34推荐的海浪散布图。
3.2.2 海浪谱海浪的功率谱密度函数一般采用有义波高 和平均跨零周期 表征的双参数P-M 谱，如下式：124 496 实际响应频率为遭遇频率 ，与波浪圆频率 之间的关系为：1g3.2.3 航速 波激振动和砰击颤振计算一般采用如下四种计算航速：V 100% 当0 6.0m 时 75% 当6.0m 9.0m 时 50%25%当9.0m 12.0m 时当12.0m 时 3.2.4 浪向角除实际船舶设计中指定各浪向角和相应的发生概率以外，一般在0至360度之间，取浪向角间隔不大于30度，各浪向角的发生概率相等。
