不同船体构造形式在波浪载荷下的结构性能比较

第１５卷第５期　２０１１年５月　船舶力学　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｓｈｉｐ　Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ　Ｖｏ１．１５　Ｎｏ．５　Ｍａｙ　２０１１　

文章编号：１００７—７２９４（２０１　１）０５—０４８９—０９　

不同船体构造形式在波浪载荷下　

的结构性能比较　

边文凤　，白光辉　，吴忠友　，张崇杰　（１哈尔滨工业大学船舶工程学院，山东威海２６４２０９；２威海中复西港船艇有限公司，山东威海２６４２０９）　

摘要：船体结构形式不同，直接影响船体的结构性能和运动性能。文章针对五种船体构造形式，即：单板横向加　筋、单板纵向加筋、单板双向加筋、硬壳式和夹层式这五种不同结构的船体在外载相同、质量相等的条件下进行　应力与变形分析，以比较各种结构的响应和性能，为结构选型提供数值分析依据。分析考虑了静载与波浪载荷的　叠加，并进行了准静态处理。通过计算和综合性能比较，挑选出既符合结构性能，又能满足使用要求的结构形式。　关键词：船体；构造形式；波浪载荷；综合性能　中图分类号：Ｕ６６１　文献标识码：Ａ　

Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ　ｗｉｔｈ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｔｏ　ｄｉ　ｒｅｎｔ　ｆｏｒｍｓｏｍｐ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｔｏ　ｄｉｔｉｅｒｅｎｔ　Ｉｏｒｍｓ　

ｏｆ　ｓｈｉｐ　ｈｕｌｌ　ｕｎｄｅｒ　ｗａｖｅ　ｌｏａｄｓ　

ＢＩＡＮ　Ｗｅｎ－ｆｅｎｇ　，ＢＡＩ　Ｇｕａｎｇ－ｈｕｉ　，　Ｚｈｏｎｇ－ｙｏｕ　，ＺＨＡＮＧ　Ｃｈｏ　ｉｅ　（１　Ｓｈｉｐｍｅｎｔ　Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　ＨＩＴ，Ｗｅｉｈａｉ　２６４２０９，Ｃｈｉｎａ；２　Ｗｅｉｈａｉ　Ｚｈｏｎｇｆｕ　Ｘｉｇａｎｇ　Ｃｏ．，Ｌｔｄ，Ｗｅｉｈａｉ　２６４２０９，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｓｈｉｐ　ｈｕｌｌ　ｉｎ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｆｏｒｍｓ　ｈａｓ　ａｎ　ｉｍｐａｃｔ　ｏｎ　ｓｈｉｐ’Ｓ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ａｎｄ　ｍｏｖｅｍｅｎｔ　ｐｅｒ－　ｆｏｒｍａｎｃｅ．Ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ，ｔｏ　ｆｉｖｅ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｓｈｉｐ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｉｎｇ　ｆｏｒｍｓ　ａｓ　ｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌ　ｆｒａｍｉｎｇ，ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ　ｆｒａｍｉｎｇ，　ｃｏｍｂｉｎｅｄ　ｓｙｓｔｅｍ，ｈａｒｄｓｈｅｌｌ　ｆｏｒｍ　ａｎｄ　ｌａｍｉｎａｔｅｄ　ｆｏｒｍ，ｔｈｅ　ｓｔｒｅｓｓ　ａｎｄ　ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ　ｏｆ　ｓａｍｅ　ｌｏａｄｓ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｅｑｕｖｉｅｎｃｅ　ｍａｓｓ　ａｒｅ　ａｎａｌｙｓｅｄ　ｔｏ　ｃｏｍｐａｒｅ　ｔｈｅ　ｒｅｓｐｏｎｓｅ　ａｎｄ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｔｏ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ　ａｎｄ　ｔｏ　ｐｒｏｖｉｄｅ　ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ　ｆｏｒ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｅｌｅｃｔｉｏｎ．Ｔｈｅ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｃｏｎｓｉｄｅｒｓ　ｓｕｐｅｒｐｏｓｉｔｏｎ　ｏｆ　ｓｔａｔｉｃ　ｌｏａｄｓ　ａｎｄ　ｗａｖｅ　ｌｏａｄｓ　ａｎｄ　ｄｅａｌｓ　ｗｉｔｈ　ｑｕａｓｉ—ｓｔａｔｉｃ．Ｗｉｔｈ　ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ，ｏｎｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｆｏｒｍ　ｓｈｏｕｌｄ　ｂｅ　ｓｅｌｅｃｔｅｄ　ｎｏｔ　ｏｎｌｙ　ｃｏｎｔｅｎｔｓ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ，ｂｕｔ　ａｌｓｏ　ｓａｔｉｓｆｉｅｓ　ｕｓｉｎｇ　ｄｅｓｉｒｅ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｓｈｉｐ　ｈｕｌｌ；ｓｔｒｕｃｔｕｒｉｎｇ　ｆｏｒｍ；ｗａｖｅ　ｌｏａｄｓ；ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　

１引　言　

根据板架结构在船上的布置情况，船舶的结构形式主要有横骨架式、纵骨架式以及混合骨架式。由　于近来复合材料在船舶上的广泛应用，出现了夹层式的船舶结构。对于型线相同、结构不同的船体，其　船舶航行性能和载荷响应是不同的。针对一定的使用功能，确定船艇型线后，选取适合的结构形式是极　其重要的。本文的目的在于对五种不同结构船体在波浪载荷下进行比较研究，选择一种最优结构形式。　

静水载荷与波浪载荷是航行于波浪中船体结构的两种主要外载荷形式。很多学者对波浪载荷进行　

收稿日期：２００９—０８—１３　修改日期：２０１０—０７一ｌｌ　基金项目：国家８６３计划项目（２００７ＡＡ０３Ａ２０８），威海市科技攻关项目（２００８—１６９）　作者简介：边文风（１９６３一），女，教授，博导，工程力学专业，主要从事复合材料结构设计与响应分析工作。

　４９０　船舶力学　第ｌ５卷第５期　

了研究［１＿３］，汪雪良等［４１给出了船舶波浪载荷预报方法、模型试验研究现状和发展趋势，徐言民等　对大　

幅波浪中船舶非线性运动和波浪载荷计算进行了实例仿真研究，肖桃云等［６１对波浪载荷下的船体梁总　

纵极限强度进行了可靠性分析。计算波浪载荷的理论方法主要有“切片一梁”理论　和水弹性理论＿８ｌ以　

及三维面元法［９１等。在工程实际应用中，通常采用有限元法进行波浪载荷下的整船分析，并将波浪载荷　静态化或用准静态方法进行研究【】ｏｌ。本文是对规则波中的波浪载荷进行计算，把波浪载荷作为坦谷波　

进行处理。　本文另一个目的是为复合材料选型做预研究，由于复合材料的结构性能比一般金属材料复杂，所　以在选型过程中需要考虑到加工工艺。　

２船体结构形式的选型　

２．１选型标准　根据使用要求及功能要求，选择结构类型的标准是：（１）结构性能满足使用要求；（２）艇体自重轻，造　

价低；（３）选材容易，成型方便。　

２．２选型途径　选择结构类型途径主要有两种：（１）调整结构性能使其趋向一致，然后比较其他各项优劣；（２）调　

整艇体白重使其趋向一致，然后比较其他各项优劣。由于结构性能指标较多，要同时调整使其趋向一　致再进行比较是困难的，而调整艇体自重较方便，故本文采用第（２）条途径。　

２．３选型前提条件　结构不同船体设计的前提条件是所受波浪载荷相等，具有相同的船体截面，以保证其具有可比　性。　２．４所选择结构类型　根据以往的设计经验，并按照线型图、总布置图，对某种舰船进行结构设计共考虑到五种结构设　计方案，并进行了各种结构件的布置和尺寸大小的确定。　

（１）硬壳结构　艇体壳板由较厚的实心玻璃钢构成，无肋、梁等构件加强。其优点为强度高、总体刚度大和真空灌　

注成型方便，缺点为噪声传导容易，自重较大。　（２）夹层结构　艇体壳板由夹芯玻璃钢（即板材两面为玻璃钢，中间由重量较轻的材料作芯材）构成，无肋、梁等　构件加强。其优点为自重轻、局部刚度大、真空灌注成型方便和噪声不易传导，缺点为在冲击载荷作用　

下芯材易破坏，且目前市场上高质量芯材需进１５１，价格较高，不利于降低造价。　

（３）单板加筋结构　艇体壳板由较薄的实心玻璃钢构成，且有纵横向肋、梁等构件加强。其优点为自重较轻、强度高，缺　

点为总体刚度较差、在冲击载荷作用下构件与壳板结合处易破坏、真空灌注成型较麻烦。　其中单板加筋结构又分为纵向加筋、横向加筋和纵横双向加筋三种形式。　在硬壳式和夹层结构方案中，仅船体壳板不同，而三层甲板均相同。船壳无任何骨架，三层甲板仅　

有纵向骨架。在硬壳式结构的基础上，将船壳的壳板变为夹芯板即可得夹层结构。在单板加筋结构方　案中，双向加筋为船壳和三层甲板均有纵、横双向骨架；纵向加筋为船壳和三层甲板仅有纵向骨架；横　

向加筋为船壳仅有横向骨架而三层甲板有纵、横双向骨架。各种结构方案的骨架尺寸和板的厚度按照　所制定的《各种结构方案的板厚及构件尺寸表》进行调整。

　第５期　边文凤等：不同船体构造形式在波浪…　４９１　

２．５比较对象　对于船舶强度问题，首先需要分析船体的应力和变形。长期以来，总纵强度一直是船体强度校核　

的主要方面。本文从惯性矩和抗弯模量（剖面模数）两个方面说明总纵强度问题。为使结构性能满足　要求，比较对象主要从以下五个方面考虑：（１）最大能量准则；（２）应变能；（３）总纵极限强度；（４）最大　

应变值；（５）工艺性能。　

３船型及材料　

３．１船舶结构　本文船体总长：５２．００ｍ；垂间总长：４７ｍ；型宽：９．８ｍ；型高：４．７ｍ；吃水：２．７ｍ。方形系数为：０．４５９；棱　

形系数：Ｏ．５９８，船舯横剖面结构如图１所示。该船具有艏楼甲板、主甲　

板和平台甲板三层甲板，舱段结构为（１／２＋１＋１／２　ｈｏｌｄ）。　主要部分尺寸：船壳底厚７０ｍｍ、船壳侧舷厚３０ｒａｍ，甲板厚２６ｒａｍ，　

桁距：１．１５ｍ；肋距：０．６ｍ。　３．２结构材料常数　本文单板横向加筋、单板纵向加筋、单板双向加筋、硬壳式以及夹　

层式结构内外两侧板的材料是相同的，材料密度ｐ＝２．２ｘ１０　ｋｇ／ｍ。，弹性　模量ＥＬ＝Ｅｒ＝１８　Ｏ００ＭＰａ，泊松比ｖ＝Ｏ－３。夹层式结构中间夹层泡沫密度　

ｐ＝１．０ｘｌ０　ｋｇ／ｍ　，弹性模量Ｅ＝６　０００ＭＰａ，泊松比ｖ＝０－３。　ｌ『　

，　、　、　，Ｊ　

按照选型要求的前提条件，五种不同结构船体的重量是大体相同　…　的，如下表１。　表１不同结构船体重量　Ｔａｂ．１　Ｓｈｉｐ　ｗｅｉｇｈｔ　ｏｆ　ｄｉｆｅｒｅｎｔ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ　

４载荷计算　

４．１固定载荷　船体的固定设备，如主机、液压吊等通常简化为集中力或者面压力的形式添加到有限元模型上，本　

文将这类载荷简化为面压力。　４．２波浪载荷　波浪载荷在船舶结构设计中是十分重要的载荷。它的正确计算以及与船体重力的平衡水平，是保　

证整船准静态分析获得正确结果的关键。　根据波浪理论，波浪形状可用坦谷曲线表示。计算分析表明：当波长约略大于船长时，可得到最大　

的波浪附加弯矩，与波长等于船长的弯矩相比，仅仅相差１％，所以假定波长等于船长是合理的。船与　

波的相对位置改变时，也将引起弯矩的改变，所以在标准计算方法中，规定按波峰在中及波谷在中两　种典型状态进行计算。　波长取Ａ，波高为ｈ，半波高为ｒ＝ｈ／２。本文Ａ取值为５０ｍ，根据波高公式ｈ＝Ａ／２０＋１计算得到　＝　

３．５ｍ　４９２　船舶力学　第１５卷第５期　

坦波谷的波面方程为：　

｛寺Ｏ＋ｒｓｉｎ０　（１）１　丌　ｌｌ　Ｊ　【ｖ＝一ＦＣＯＳＯ　其中０为圆盘滚动时的转角。根据公式（１），结合船体参数，在Ｐａｔｒａｎ中表示波峰在中状态下的压力值　表达式为：　ｍａｘ（０，０．１５３４ｅ－１３　ｘ＾４—０．１３７４ｅ－１ｌ＊ｘ＾３－Ｏ．１２１３ｅ－４　ｘ＾２＋Ｏ．５７５７ｅ－３　ｘ＋３６５３．１９－Ｚ）　ｌｅ－５　（２）　波谷在中状态下的压力值表达式为：　ｍａｘ（０，０．１５３４ｅ－１３　ｘ＾４—０．１３７４ｅ－１ｌ＊ｘ＾３－Ｏ．１２１３ｅ－４　Ｘ　２＋０．５７５７ｅ－３　ｘ＋１３４６．８１－Ｚ）　ｌｅ－５　（３）　４．３浮动载荷　满载时船体载荷与所受静水载荷与波浪载荷之间有一个差值，被称作浮动载荷。本文按照最危险　的形式加到两个位置上。即波峰在中状态下，浮动载荷加在船体两边；波谷在中状态下，浮动载荷加在　船中位置。　首先计算出船体浮心及重心的位置，如图２（ａ）和图２（ｂ）。然后根据静态平衡分别在中拱和中垂　状态下施加浮动载荷。　在船体底部添加两个虚约束点Ａ和Ｂ，根据转矩平衡求出浮心坐标值　，＝　（　Ｂ－－Ｘ　）　（４）　

其中，　为船体所受浮力；　为船体只受浮力时　点约束反力；　和　为Ａ和日点　方向坐标值。　

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船体带孔甲板的屈曲分析【文献综述】

文献综述

船舶与海洋工程

船体带孔甲板的屈曲分析

引言

本人毕业设计的论题为《船体带孔甲板的屈曲分析》，对于钢制构件，结构破坏有三种类型，断

裂、局部塑性破坏和屈曲破坏。对船体结构而言从纵向总纵强度分析，船体损伤与之相对应的有：由于

疲劳裂纹产生的脆性破坏，引起的损伤，以及由于异常波浪外力引起的甲板屈曲破坏等。而疲劳裂纹所

产生的破坏可以采用改善钢材低温特性的办法予以改善；由抨击产生的损伤可以通过操船防止，因此甲

板的屈曲分析就显得尤为重要。在甲板屈曲的可靠性分析中应考虑载荷和承载能力两个方面．载荷上应

考虑静水、波浪载荷的不确定性；承载能力分析中应考虑材料性能和几何尺寸的不确定性，焊接产生的

甲板板格韧挠度和残余应力将显著的降低甲板的抗屈曲能力。

甲板屈曲形式可以分为两种，即纵支骨之间的甲板板格的局部屈曲和横舱壁之间的甲扳整体的屈曲

届曲后将引起塑性破坏屈曲从初挠度最大，承载能力最弱的板格开始，逐渐达到数个板格的屈曲，使甲

板承载能力下降，以至引起整个甲板的破坏。

正文

1.论文研究的背景目的和意义

船体上的构件板材破坏形式有三种，即：断裂、局部塑性破坏和屈曲破坏。对船体结构而言，如果

从纵向总强度上分析，与之相对应的船体损伤有：由于疲劳裂纹产生的脆性破坏，由于砰击引起的损

伤，及由于异常波浪外力引起的甲板屈曲破坏等等。由疲劳裂纹产生的破坏可以采用改善钢材低温特性

的办法予以改善；由砰击产生的损伤可以通过操船防止，而甲板的稳性在船舶设计完成后就基本已经是

个定值，所以对甲板屈曲的研究是非常重要的。

船舶所受到的外力非常复杂。除了船舶本身的自重，装备和载重等重量以外，船舶还受到包括海水

在内作用于船体的力。除非船是静置在水中，否则船上所受到的海水作用力主要是动力。这些动力包括

水动压力、冲击力以及船在运动中的惯性力等等。力学上，我们在研究船体强度问题时长把船体作为梁

来研究。

因为在考虑屈曲问题时，虽然船体结构中有很多受压构件，但船在波浪中发生总弯曲时，离船体中

双体船波浪载荷的直接设计计算

耿彦超，顾学康，汪雪良

（中国船舶重工集团公司第七Ｏ－－研究所，江苏无锡，２１４０８２）

摘要

本文分别应用ＤＮＶ规范和二维半理论程序计算了ＷＰ６０穿浪双体船的波浪载荷，并把二者计算结果相结合提出了双体船的波浪载荷直接设计计算方法，为双体船有限元分析打下基础。

关键词：双体船；波浪载荷；规范；直接设计计算分类号：Ｕ６６１．４文献标识码：Ａ

１引言

目前，国际上一些著名的船级社已经发展了针对高性能船的结构设计规范，其中包括了双体船

的设计波浪载荷的计算方法。然而，和已经具有很长发展历史的单体船和具有一百多年历史的单体船船体结构设计规范相比，人们对高性能双体船波浪载荷的研究还很不充分，相应的规范设计方法也很不成熟，规范给出的对相同船舶的设计载荷之间的差别比较明显，给研究和设计者带来困惑，

船舶在海上航行的安全陛也存在疑问…。本文首先按照ＤＮＶ规范皿ｌ计算了ｗＰ６０双体船的设计波浪载荷，然后基于规范计算与理论计算相

结合提出双体船波浪载荷的直接设计计算方法，为进一步系统地发展双体船的结构直接设计计算方法（包括结构强度分析和强度衡准等）打下了基础。

２按照ＤＮＶ规范计算ＷＰ６０双体船的设计波浪载荷

不同规范对同一条双体船的波浪载荷设计公式和计算结果差别明显，这些设计公式尽管可能基

于一定的模型试验、计算或者实船使用的经验，但和单体船相比，由于双体船型的多样性、参数的多变和实船使用经验的不足，规范计算公式有时不能给出合理的波浪载荷设计值，对双体船结构安全性和建造的经济性带来不利的影响。另外，双体船除了单体船船体结构设计中涉及的横剖面垂向

载荷（对一般船体）、横剖面横向和扭转载荷（对甲板大开口船体）外，还有独特的连接桥结构载荷。双体船在海上航行过程中，这些载荷往往联合作用于船体，形成非常复杂的载荷组合形式。在利用规范进行双体船结构强度校核时，一般仅对结构在典型的载荷（如横剖面垂向弯矩、中纵剖面

总横垂向弯矩等）作用下的强度进行单独的校核，不能反映船体结构的实际受载情况，增加了船体结构强度校核中的不确定度。因此，提出和开展双体船船体结构波浪载荷的直接设计计算方法研究，

深海平台结构的波浪载荷与动态响应特征

第４７卷第６期　２０１０年１２月总第１９７期　港工技术　Ｐｏｒｔ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｖｏ１．４７　Ｎｏ．６　Ｄｅｃ．２０１０　Ｔｏｔａｌ　１９７　

深海平台结构的波浪载荷与动态响应特征　

董鹏．朱克强　

（宁波大学海运学院，浙江宁波３１５２１１）　

摘要：简要介绍当前运用较广的ＴＩＪ）、ＦＰＳＯ、Ｓｐａｒ等型式深海平台的生产背景和主要特点，通过对上述各种结构型式深海　平台的优、缺点进行深入的比较分析。探讨在南海特殊海洋环境下进行油气资源开采时宜采用的最合理的平台结构型式。　关键词：深海平台：波浪；ＴＬＰ；ＦＰＳＯ；Ｓｐａｒ；动态响应　中图分类号：Ｕ６７５．９２　文献标志码：Ａ　文章编号：１００４—９５９２（２０１０）０６－０００６－－０４　

Ｗａｖｅ　Ｌｏａｄ　ｏｆ　Ｄｅｅｐ－ｓｅａ　Ｐｌａｔｆｏｒｍ　Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ａｎｄ　Ｄｙｎａｍｉｃ　Ｒｅｓｐｏｎｓｅ　Ｆｅａｔｕｒｅ　

Ｄｏｎｇ　Ｐｅｎｇ，Ｚｈｕ　Ｋｅｑｉａｎｇ　

（Ｍａｒｉｔｉｍｅ　Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ｎｉｎｇｂｏ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｎｉｎｇｂｏ　Ｚｈ￣ｉａｎｇ　３１５２１　１，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇ　ｂａｃｋｇｒｏｕｎｄ　ａｎｄ　ｍａｉｎ　ｆｅａｔｕｒｅｓ　ｏｆ　ＴＬＰ、ＦＰＳＯ　ａｎｄ　Ｓｐａｒ　ｏｆ　ｄｅｅｐ－ｓｅａ　ｐｌａｔｆｏｒｍ　ａｐｐｌｉｅｄ　

ｗｉｄｅｌｙ　ａｔ　ｔｈｅ　ｐｒｅｓｅｎｔ　ａｒｅ　ｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ．Ｔｈｒｏｕｇｈ　ｃｏｍｐａｒｉｎｇ　ａｎｄ　ａｎａｌｙｚｉｎｇ　ｔｈｅ　ａｄｖａｎｔａｇｅｓ　ａｎｄ　ｄｉｓａｄｖａｎｔａｇｅｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ａｂｏｖｅ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｄｅｅｐ—ｓｅａ　ｐｌａｔｆｏｒｍｓ，ｔｈｅ　ｍｏｓｔ　ｒｅａｓｏｎａｂｌｅ　ｐｌａｔｆｏｒｍ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｔｙｐｅ　ｓｕｉｔａｂｌｅ　ｆｏｒ　ｅｘｐｌｏｒｉｎｇ　ｏｉｌ　ａｎｄ　ｇａｓ　

三体船波浪设计载荷的三维时域水弹性理论研究

任慧龙;陈亮亮;李辉;张楷宏

【摘要】To solve the design wave loads on a trimaran, 3D time⁃domain

nonlinear hydroelasticity theory and a non⁃linear design wave method

were used to calculate trimaran longitudinal wave loads. The method took

an account of the influence of nonlinear factors in the elasticity of the ship

hull, hull slamming loads, and other factors. Good matching was found

between the calculated hydroelastic values with the three⁃dimensional

frequency domain long⁃term prediction value and Lloyds Register ( LR)

Trimaran Rules when deriving the trimaran wave load characteristic values.

The computed value under ultimate working conditions was shown to be

significantly larger than the LR Tri⁃maran Rule value. The authors suggest

including ultimate working conditions when checking the trimaran

集装箱船非线性波浪载荷作用下的疲劳损伤分析

第２６卷第２期　海南大学学报自然科学版　２００８年６月　ＮＡＴＵＲＡＬ　ＳＣＩＥＮＣＥ　ＪＯＵＲＮＡＬ　ＯＦ　ＨＡ１ＮＡＮ　ＵＮＩＶＥＲ￥；ＩＴＹ　Ｖｏ１．２６　Ｎｏ．２　Ｊｕｎ．２００８　

文章编号：１００４—１７２９（２００８）０２—０１８７—０５　

集装箱船非线性波浪载荷作用下的疲劳损伤分析　

陈超核　，钟伟芳　

（１．华中科技大学力学与土木工程学院，湖北武汉４３００７４；２．海南大学土木建筑工程学院，海南海口５７０２２８）　

摘要：本论文针对集装箱船结构直接设计中所涉及的非线性波浪载荷疲劳损伤问题从理论方法、计算和　应用等方面开展研究．采用谱分析方法，研究了非线性波浪弯矩及砰击弯矩对船体结构疲劳损伤的影响，并　完成一个实例计算．　关键词：非线性波浪载荷；直接设计；集装箱船；疲劳损伤　中图分类号：Ｕ　６６１．４　文献标识码：Ａ　

船舶在波浪中航行时受载情况经常变化，使船体构件长期处于交变应力状态，疲劳破坏是船舶结构　

的主要破坏形式之一．特别对于大型船舶和使用高强度钢的船舶，疲劳问题显得尤为突出．第七届国际　

船舶结构力学会议论文指出，对于大型船舶来说，船长超过２００　ｍ的船舶，其总损伤的７０％属于疲劳损　

伤．为了避免因疲劳强度不足而造成船舶损坏，多年来在船舶和海洋工程领域对疲劳强度进行了大量的　

理论和实验研究．在此基础上，结合设计、制造、安装和营运中的经验，世界各主要船级社都提出了可供结　

构设计阶段应用的疲劳强度计算方法．但多数为结构疲劳分析的简化计算方法，方法中带有很多假设，且　

只适合常规船型．例如，在目前广泛采用的船体结构疲劳强度计算中，外载荷通常是按线性切片理论得到　的波浪弯矩】】　Ｊ．然而，由于有些船舶如大型集装箱船的非直壁、船首大外飘以及底部砰击、外张砰击和甲　

板上浪等因素的影响，导致船舶运动，特别是波浪载荷呈明显的非线性　，不仅在量值上具有拉压应力　

不对称，与波高的非线性关系，而且除波浪遭遇频率成分外，还有与船体梁总振动频率相一致的高频振动　

船舶结构与强度分析

船舶结构与强度分析是对船舶结构进行计算、分析及验证的过程，旨在保证船舶的安全性、可靠性和经济性。一艘船舶的结构由许多部分组成，例如船体、甲板、船舱等，每个部分都有其具体的强度要求。在进行结构分析前需要明确船舶的使用环境、航行条件、载货情况等诸多因素。

船舶结构分析一般可以分为三个阶段：静态强度分析、动态强度分析和疲劳强度分析。静态强度分析主要用于计算船舶各部分在受静载荷作用下的强度，例如船舶在停泊、装卸货时所受的荷载。动态强度分析主要针对船体在水中航行时所受的作用力，例如波浪荷载、推进力等。疲劳强度分析则是通过考虑船舶在长期使用中的疲劳作用，来评估船体在经过多次载荷循环后的损伤情况。

在进行结构分析时需要使用一些专业的软件，例如ANSYS和ABAQUS等。这些软件可以模拟各种物理载荷对船体的作用，以及船体材料的力学性质。通过数值模拟分析可以快速得出船舶各部分的强度，并根据计算结果针对性地进行结构设计和优化。

在玩具船到海上大货轮，不同类型的船舶在结构和强度方面都存在着天然的差异。例如在大型油轮上，可靠性和安全性是最重要的要求之一。因此，其结构设计需要考虑到较高的载荷和对液态羟基等液体的运输。而在高速客轮上，需要优化船体的设计，以便在航行时降低阻力和提高速度。

总之，船舶结构与强度分析是保障船舶安全、可靠、经济的重要方法之一。在设计和制造的过程中，需要充分考虑各种使用环境和载货情况，以达到最优设计效果。同时，不断研究和探索新的分析技术和方法，为船舶行业的发展做出贡献。

小水线面三体船初探

班级 20080112

学号 2008011229

姓名陶伯政

摘要

进入21世纪以来，各种高性能船舶的研究越来越多，在小水线面三体船方面，主要集中在细长型小水线面三体船(高速小水线面三体船)及小水线面小水线面三体船上。随着人们对船舶的稳性、耐波性等性能的要求越来越高，小水线面三体船作为一种高性能新船型，正在引起人们极大的关注。由于其独特的船型、优良的性能及在主要技术性能方面的诸多优势，小水线面三体船必将在军用、民用市场有广阔的应用前景。

关键词：高速三体船小水线面三体船

一、发展概况

当代小水线面三体船的研究己有30多年的历程，直到上世纪90年代中期以后高速小水线面三体船(细长型)的研究才取得了较大发展.这期间国内外高速小水线面三体船(细长型)的研究主要集中在水动力理论、模型试验、船型优化以及概念设计等方面，也有少量关于结构强度方面的文献。小水线面三体船其水下部分是由一个主船体和两个小侧体组成的，两个侧体一般对称地摆放在主船体的两侧，三个船体均为细长船体，通过连接桥将主体和两个侧体连接成一体。

图1.1 小水线面三体船中横剖面

图1.2 小水线面三体船局部模型

国内的小水线面三体船研究起步较晚，始于上世纪90年代末期。国内在小水线面小水线面三体船方面的研究还较少，上海交通大学进行了一些初步的阻力研究和试验。一批与哈尔滨工程大学为首的高校和科研院所主要通过模拟或是模型探索性研究小水线面三体船的耐波阻力，操纵性。而在抗沉性、材料，前沿技术方面限于各种原因而研究较少。下图1.3为我校设计制作的细长型高速小水线面三体船模型。

图1.3 高速小水线面三体船模型试验

如图1.5 为瑞典QinetiQ公司和OTG公司设计的Tri/SWATH模型图。

船舶设计中的结构力学分析

船舶作为人类在海洋上活动的重要工具，其设计的合理性和安全性至关重要。而在船舶设计的众多环节中，结构力学分析是其中的关键环节之一，它为船舶的结构强度、稳定性和可靠性提供了重要的理论支持和技术保障。

结构力学是研究物体在外力作用下的变形、内力和稳定性的学科。在船舶设计中，结构力学的应用主要包括对船体结构的强度分析、刚度分析、稳定性分析以及动态响应分析等方面。

首先，强度分析是船舶结构力学分析的核心内容之一。船舶在航行过程中会受到各种外力的作用，如重力、浮力、波浪力、风力等。这些外力会使船体结构产生应力，如果应力超过了材料的屈服强度，就会导致结构的破坏。因此，在设计过程中，需要通过结构力学分析准确计算船体结构在各种工况下的应力分布，确保船体结构具有足够的强度来承受这些外力。

在进行强度分析时，需要建立准确的船体结构模型。这通常包括对船体的几何形状、结构布置、材料特性等进行详细的描述。然后，运用有限元分析等数值方法，将船体结构离散为若干个单元，并计算每个单元的应力和变形。通过对这些计算结果的分析，可以找出船体结构中的薄弱部位，并采取相应的加强措施。刚度分析也是船舶结构力学分析的重要组成部分。刚度是指结构抵抗变形的能力。如果船体结构的刚度不足，就会在受到外力作用时产生过大的变形，从而影响船舶的航行性能和使用功能。例如，过大的船体变形可能会导致船舶的操纵性下降、舱室密封性变差等问题。

稳定性分析对于船舶结构的安全性同样具有重要意义。船舶结构在受到压缩、弯曲等载荷作用时，可能会发生失稳现象，如屈曲、侧倾等。稳定性分析的目的就是要确定船体结构在各种载荷条件下的稳定极限，以避免失稳事故的发生。

动态响应分析则主要关注船舶在受到动态载荷（如波浪冲击、发动机振动等）作用时的响应情况。通过动态响应分析，可以了解船体结构的振动特性、疲劳寿命等，从而为船舶的减振降噪、结构优化提供依据。

在船舶设计中，结构力学分析不仅要考虑单个结构部件的性能，还要综合考虑整个船体结构的协同工作。例如，船首、船尾和船中部分的结构在承受外力时会相互影响，需要通过整体分析来确保整个船体结构的性能满足设计要求。

不同船体构造形式在波浪载荷下的结构性能比较

文章编号：１００７—７２９４（２０１　１）０５—０４８９—０９　

不同船体构造形式在波浪载荷下　

的结构性能比较　

ｏｆ　ｓｈｉｐ　ｈｕｌｌ　ｕｎｄｅｒ　ｗａｖｅ　ｌｏａｄｓ　

船舶结构——精选推荐

船舶结构

⼀、船体结构及其功⽤

船舶从建造到下⽔，航⾏直⾄最后报废的整个过程中，均要受到许多不同外⼒的作⽤。研究船体结构的⽬的，就是要使船体在这些外⼒的作⽤下：1)保证船体不被破坏⽽具有⾜够的强度；

2)保证其不⾄于有过度变形⽽影响其使⽤，具有⾜够的刚性，从⽽设计出充

分合理使⽤材料，重量尺⼨最⼩，建造成本低和营运经济性好及安全可靠的船体。

船舶结构是由板材和⾻材组成的船体的总称。包括主船体和上层建筑结构两部分。前者习惯上指主甲板以下的部分，由船底、舷侧、甲板、船端、舱壁等结构组成；后者为主甲板以上部分。

船体结构的作⽤是使船具有⼀定的外形、漂浮能⼒和强度，并构成可分隔成各种舱室的⽔密内部空间。组成结构的基本元件称构件。船体构件沿船长延伸的称为纵向构件；沿船宽延伸的称为横向构件。

⼆、在《钢规》中的⼀些定义a)船长L （m）：沿夏季载重线，由⾸柱前缘量⾄舵柱后缘的长度；对⽆

舵柱的船舶，由⾸柱前缘量⾄舵杆中⼼线的长度；但均不得⼩于夏季载

重线总长的96，且不必⼤于97%。

对于箱形船体，L 为沿夏季载重线⾃船⾸端壁前缘量⾄船尾端壁后缘的

长度。b)船宽B （m）：在船舶的最宽处，由⼀舷的肋⾻外缘量⾄另⼀舷的肋⾻

外缘之间的⽔平距离。

备注：型宽不包括船体外板的厚度。c)型深D （m）：在船长中点处，沿船舷由平板龙⾻上缘量⾄上层连续甲

板横梁上缘的垂直距离；对甲板转⾓为圆弧形的船舶则由平板龙⾻上缘

量⾄横梁上缘延伸线与肋⾻外缘延伸线的交点。d)吃⽔d（m）：在船长中点处，由平板龙⾻上缘量⾄夏季载重线的垂直

距离。e)⽅形系数C b：⽅形系数C b 由下式确定：

C b = ▽ / LBd

式中：▽--- 相应于夏季载重线吃⽔时的型排⽔体积，m 3L B d --- 见上述定义。

备注：C b的⼤⼩表⽰船体⽔下体积的肥瘦程度。f)上层连续甲板：船体的最⾼⼀层全通甲板。

g)强⼒甲板

1．上层连续甲板

2．在船中部0.5 L 区域内长度不⼩于0.15 L 的上层建筑甲板，和此上层建筑区域以外的上层连续甲板。

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