對于超大型集裝箱船、大型驅(qū)逐艦、航母等具有大外飄的船舶,在高海況下易產(chǎn)生因大幅船波相對運動而導(dǎo)致的砰擊現(xiàn)象,由此產(chǎn)生高頻顫振響應(yīng)使得船體遭受的非線性波浪載荷幅值和總循環(huán)次數(shù)增加,會對該類船舶結(jié)構(gòu)的總彎曲強度構(gòu)成威脅,已引起海事界的極大關(guān)注。IACS關(guān)于集裝箱船縱總強度給出的統(tǒng)一要求UR S 11A中部分考慮了砰擊顫振對船體強度影響,ABS、DNVGL、CCS等船級社分別給出了考慮砰擊顫振對船體強度影響的評估指南,以上要求或指南一般僅給出了計算要求和計算過程描述,沒有給出詳細(xì)算法和有效的計算工具;軍規(guī)中對于大外飄艦船設(shè)計載荷的確定目前仍主要基于經(jīng)驗公式,不足以反映具體船型的載荷和結(jié)構(gòu)特性。在該類大外飄船舶的設(shè)計評估中,為合理考慮砰擊顫振對載荷響應(yīng)及結(jié)構(gòu)安全性的影響,需要研究計及砰擊顫振的載荷響應(yīng)計算方法,開發(fā)計算效率和穩(wěn)定性具備工程實用性的數(shù)值計算軟件�；谝陨夏繕�(biāo),本文開展了大外飄船舶二、三維混合時域非線性水彈性計算方法研究,進(jìn)行了大外飄船舶波浪載荷模型試驗研究,提出了大外飄船舶非線性設(shè)計載荷確定方法,給出了考慮船體彈性效應(yīng)的強度評估方法,主要研究工作如下:1)以經(jīng)典的三維結(jié)構(gòu)動力學(xué)和勢流理論為基礎(chǔ),根據(jù)水動力成分的占比大小,結(jié)合二維、三維勢流計算的優(yōu)勢,將三維時域水彈性基礎(chǔ)理論加以擴(kuò)展,建立了有航速大外飄船舶時域非線性水彈性理論計算方法。在三維瞬時濕表面上計算考慮非線性修正后的入射波壓力、流體靜壓力,通過頻域水動力系數(shù)與時域水動力系數(shù)之間的關(guān)系,計及不規(guī)則波中不同子波貢獻(xiàn)和響應(yīng)的記憶效應(yīng),給出任意波浪形式的輻射、繞射力非線性修正,結(jié)合考慮大幅運動下劇烈船波相對運動的實用砰擊、上浪載荷計算方法,通過時域求解算法的改進(jìn)提高時歷模擬的效率,并對斜浪工況下的橫向運動發(fā)散情況進(jìn)行控制,據(jù)此編制了相應(yīng)的數(shù)值計算程序。以顫振響應(yīng)Benchmark研究中的4400TEU集裝箱船為算例船,開展數(shù)值驗證。通過算例計算與試驗數(shù)據(jù)的對比,證實了模型試驗中的“倍頻”現(xiàn)象,驗證了大外飄船時域非線性水彈性理論計算方法的正確性與適用性�？紤]非線性的理論計算對于參數(shù)選取較為敏感,為提高理論計算方法在工程實際應(yīng)用中的適用性和穩(wěn)定性,對計算參數(shù)的選擇作了較為細(xì)致的探討。2)較為詳細(xì)地介紹了考慮結(jié)構(gòu)動力相似的船模試驗的相似關(guān)系及基于此的試驗?zāi)Ｐ头诸?對國內(nèi)外水彈性模型試驗方法進(jìn)行分類比較,分析主流試驗方法的優(yōu)劣,綜合考慮選定變截面分段龍骨梁模型作為試驗對象,就其設(shè)計中的注意事項、方法步驟以及試驗前的準(zhǔn)備作內(nèi)容作以細(xì)致描述,給出了關(guān)于集裝箱船多載荷分量測量的考慮及建議。借助試驗過程中數(shù)據(jù)處理算法的介紹,針對本文模型試驗和國際上的公開船模試驗與時域非線性水彈性理論計算方法計算結(jié)果的響應(yīng)時歷及頻譜分析對比,驗證了理論方法和數(shù)值計算程序的正確性和有效性,分析了“倍頻”現(xiàn)象產(chǎn)生的原因、非線性波浪彎矩隨波高及航速的變化規(guī)律、不規(guī)則波中載荷幅值的統(tǒng)計特性、阻尼對高頻彎矩成分的影響等。3)以時域非線性水彈性理論計算方法為基礎(chǔ),針對給定的目標(biāo)艦船,提出基于非線性長短期預(yù)報的設(shè)計載荷計算方法、非線性設(shè)計波法和非線性設(shè)計海況法,用于確定設(shè)計載荷,給出海況篩選的實用方法和設(shè)計海況的確定方法,并將三種方法的計算結(jié)果與規(guī)范值、試驗值進(jìn)行對比分析,得出有實際意義的結(jié)論�？蔀榛诖敖Y(jié)構(gòu)直接計算法的船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計提供理論支撐,并為船級社的技術(shù)指導(dǎo)文件對應(yīng)的直接計算工具開發(fā)維護(hù)提供保障,使之更為合理和完善。4)通過疲勞損傷計算的基本方法與原則的介紹,結(jié)合國際研究熱點,以三維線性頻域水彈性計算結(jié)果和譜分析法、時域非線性水彈性理論計算時歷和雨流計數(shù)法為基礎(chǔ),計算得到考慮砰擊顫振和考慮波激振動、砰擊顫振聯(lián)合影響的疲勞損傷�；诙嗉掖壣缫�(guī)范中相關(guān)內(nèi)容的規(guī)定,計算、統(tǒng)計、考察、分析了航速、浪向、裝載、海況等對總體疲勞計算結(jié)果的影響,可據(jù)此進(jìn)行一些計算工作上的簡化。直接計算結(jié)果和規(guī)范計算結(jié)果對比分析得出的結(jié)論及計算建議,可為大外飄船舶考慮船體彈性效應(yīng)的疲勞強度評估提供理論及技術(shù)支撐。
【學(xué)位單位】：哈爾濱工程大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：U661.4
【部分圖文】：

Ｆｉｇ．２．２?Ｄｅｆｉｎｉｔｉｏｎ?ｏｆ?ｆｌｕｉｄ?ｄｏｍａｉｎ?ａｎｄ?ｃｏｏｒｄｉｎａｔｅ?ｓｙｓｔｅｍ??間固定坐標(biāo)系和參考坐標(biāo)系存在如下的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換關(guān)系式：??ｘ０?ｃｏｓ?Ｐ?－ｓｉｎ／？?０?ｘ?七Ｕｔ?（ｘ?ｆ?ｘｂ??＾?ｙ〇?＞＝?ｓｉｎＰ?ｃｏｓｙｆｆ?０?”?ｙ?＞?＜?ｙ?＞＾＜?ｙｈ?＞ｚ０Ｊ?０?０?１?ｚ?［ｚ?ｚｂ－＼－ｚＧ??便推導(dǎo)，暫略去浪向角的影響（主要的困難在于求解因物體自身的運動生的輻射問題），于是簡化關(guān)系如下：??ｘ０?＾ｘ?＋?Ｕ０ｔ，ｙＱ＝ｙ，ｚ０＝ｚ，Ｗ＾?＝ＶＸ??＇?！?２?＿Ｕ?±ｄｔ?＾?ｄｔｘ?°ｄｔｘ??時濕表面下波浪主干擾力和靜水回復(fù)力的非線性表達(dá)??入射波浪模型??則波入射波浪選�。粒椋颍ǎǚ鶠椋�，波浪自然圓頻率為叫，波數(shù)為Ａ；。。，空間固定坐標(biāo)系下入射波的速度勢可以表示為：??

第２章大外飄船時域非線性水彈性理論計算方法??同時表２．１中將文獻(xiàn)中與本文方法計算得到的保角變換系數(shù)列表對比。由圖２．３中的對??比結(jié)果可知，保角變換反推回的型值與原剖面吻合良好。??本節(jié)針對８個不同吃水、形狀的剖面（剖面形狀如下圖２．４所示）采用上述兩種方??法進(jìn)行了三參數(shù)保角變換，并將結(jié)果對比如下表２．２所示。??表２．１保角變換系數(shù)對比??

Ｆｉｇ．２．５?Ｔｉｍｅ?ｓｅｒｉｅｓ?ｏｆ?ｒｅｔａｒｄａｔｉｏｎ?ｆｕｎｃｔｉｏｎ??關(guān)于延遲函數(shù)的計算，其中涉及三維高頻頻域水動力系數(shù)的計算，進(jìn)而采用（２－４７）??式進(jìn)行變換以得到延遲函數(shù)時歷。三維高頻水動力系數(shù)的計算有著非常多實用方面的原??因，如間接時域方法將頻域水動力系數(shù)轉(zhuǎn)換到時域、評估船體的彈振響應(yīng)等。眾所周知，??現(xiàn)有的基于高頻、低速假設(shè)而用遭遇頻率代替計算水動力系數(shù)的方法（采用頻域無航速??格林函數(shù)、常值面元法）本身在計算高頻水動力系數(shù)方面是存在困難和挑戰(zhàn)的，如：１）??遭遇頻率超過４．０ｒａｄ／ｓ；?２）計算面元數(shù)超過１５０００；?３）計算時長；４）不規(guī)則頻率帶來的??結(jié)果可靠性問題等。??然而，并非水動力網(wǎng)格劃分的越密，高頻水動力系數(shù)計算就越光順，但需要指出，??高頻水動力系數(shù)的計算直接影響間接時域的計算結(jié)果精度。??上述問題的存在，使得在考慮采用間接時域計算方法時，必須要考慮在何頻率處將??水動力系數(shù)截斷，然而通過作者對大量船舶水動力系數(shù)的計算發(fā)現(xiàn)，各水動力系數(shù)的首??個不光順點在不同水動力系數(shù)曲線上并不對應(yīng)同一頻率值，這使得統(tǒng)一采用某個固定頻??率對水動力系數(shù)截斷處理不可行。同時，作者同樣考慮過采用數(shù)據(jù)擬合的方法將水動力??
【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2847287