哈爾濱工程大學船舶與海洋工程專業(yè)本科生(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 波浪中或水下運動的任意形狀彈性體的三維線性水彈性理論。 迄今 三維線性理論已 發(fā)展 成熟， 國際上 各大船級社幾乎都有三維頻域線性 船舶 運動和載荷的預報程序 。 隨著大容量計算機的出現，三維非線性理論也得到了迅速的發(fā)展 并開始 應用 于實際 。美國海軍開發(fā)了一個多層次的大幅運動程序 LAMP[33,34]用于預報艦船在各種海況下的船體運動和波浪載荷。 LAMP 以時域描述和三維水動力為基礎， 其中 LAMP1 為 其線性版本， LAMP2 和 LAMP4 為非線性版本 ，后 二者考慮的非線性程度 有所 不同 。 LAMP2 考慮非線性靜恢復力和非線性FroudeKrylov 波浪力，以及三維線性水動力和平均自由面邊界狀態(tài)； LAMP4則考慮了非線性靜恢復力和非線性 FroudeKrylov 波浪力，以及三維大幅水動力和遭遇波表面上的自由面邊界狀態(tài)。開發(fā) LAMP2 的目的是為了在保證重要的非線性靜恢復力和波浪主干擾力的同時，大幅減少計算所需的輸入數據和計算時間。 LAMP 計算程序不僅 可以進行運動模擬，還可以計算剖面載荷、沖擊載荷和結構響應。該系統的另一個突出特點是可以給出遭遇波表面下船體濕表面的瞬時水動壓力分布、運動和加速度等信息，這些信息將作為結構有限元分析的輸入數據。 在船舶波浪載荷理論的發(fā)展過程中，試驗研究起了極其重要的作用。實船海上試驗的測試結果，對于弄清載荷的特征及其統計分布規(guī)律，無疑具有重要的意義。但受種種客觀及主觀因素的限制，實船海上試驗結果不可避免地會有這樣那樣的局限性。為此，作為實船海上試驗的補充和完善，水池模型試驗得到了迅速的發(fā)展。試驗的目的，不僅僅是用于去驗證理論 方法，更為重要的是，它可以揭示人們尚未認知的現象，反映問題的力學機理和實質，對理論計算方法進行改進和完善。 當前，已發(fā)展了多種不同檔次的波浪載荷計算方法，從二維理論到三維理論，從線性假設到非線性處理，從頻域分析到時域分析，預報的范圍不斷擴大，計算的精度不斷提高。本書不可能也沒有必要面面俱到，一一介紹。這里主要是闡述 現代船舶波浪載荷理論的有關基礎知識，介紹關于非線性問題和三維問題的工程處理方法，說明在確定波浪載荷設計值時應遵循的基本原則，指出實船試驗與水池模型試驗的實施要點，回顧國內外有代表性的一些試驗成果。 本文是利用 WALCS 軟件進行波浪載荷的長短期分析， 該軟件可用于計算零航速或以中低航速航行于有限和無限水深規(guī)則波中的船舶或浮式海洋平臺的運動、剖面載荷和濕表面水動壓力的穩(wěn)態(tài)響應。軟件以三維頻域線性水動力理論為基礎，將面元法和源匯分布法相結合求解浮體運動的三維輻射水動力系數，同時對繞射問題采用直接求解的方法，進而建立浮體的六自由度運動方程。求解浮體運動響應之后，進一步求出浮體的脈動壓力響應和剖面載荷響應。同時，可以考慮系泊錨鏈的恢復力效應，系泊系統恢復力剛度系數由懸鏈線理論計算。軟件可輸出船舶與浮式海洋平臺運 動、剖面載荷及水動壓力的頻率響應函數，并可針對給定海況資料進行短期預報和長期預報，得到載荷及響應的設計值。 本文的主要工作 行長期分析，此時船舶航速較低，不考慮載荷的非線性影響，對一條軍船進行長期分析，并將計算結果與我國現行軍規(guī)、共同規(guī)范、各船級社軍船入級規(guī)范（ LR軍船入級規(guī)范、 BV 軍船入級規(guī)范）、準則等的計算值進行比較分析。 、外張砰擊和甲板上浪等非線性因素的影響，按水彈性理論計算船舶的波浪載荷。對軍船在不同航速、 不同浪級下進行短期分析，由于存在非線性，故應取足夠長時間進行時域計算，對每一循環(huán)，分別按照中拱、中垂狀態(tài)取合彎矩的峰值（以回避相位問題）。通過對波浪載荷的線性和非線性分析探討軍船入級波浪載荷設計值的確定方法。 3. 艦船結構設計載荷及船體結構強度計算校核是水面艦船結構設計的重要內容。近年來國際幾個著名船級社推出了軍船入級規(guī)范，分別給出了結構設計計算載荷以及船體結構強度分析的方法和準則。本課題結合某型實船的計算分析，研究 LR 軍船規(guī)范中有關計算載荷與船體強度校核中的有關內容，并與我國現行軍規(guī)中的相應內容進行比較 分析，給出有關的結論，為我國軍規(guī)的修改以及軍船入級規(guī)范的制訂提出建設性意見 第二章 波浪載荷的預報 概述 船舶在其壽命期內遭受的外力主要有結構自重、環(huán)境載荷、作業(yè)載荷和偶然性載荷。環(huán)境載荷分為波浪載荷、風載荷和流載荷。波浪載荷是船體結構強度分析、結構設計與安全評估中非常重要的載荷，正確計算波浪載荷對結構安全性具有重要意義。 船舶運動響應與波浪載荷計算研究中，通常假定浮體所處的海洋是均勻、不可壓縮、無粘和無旋的理想流體。按照流場的簡化程度，可分為二 維切片理論、二維半理論以及三維水動力理論；按格林函數表達形式分為自由面格林函數法和簡單格林函數法（也稱 rankine 源法）；按函數的考慮程度分為零航速理論、低航速理論和全航速理論；按求解域形式分為頻域分析方法和時域分析方法 [i]。目前工程上常用的方法主要有：線性頻域切片理論（修正航速），三維線性頻域理論（自由面格林函數法、零航速 /低航速），三維非線性時域理論（簡單格林法 /自由面格林函數法、全航速）。 二維切片理論和三維水動力理論在在工程上應用最為廣泛，切片理論建模簡單、計算效率高、計算精度相對較低； 水動 力理論基于三維線性勢流理論，適用于任意形狀的船舶和海洋結構物，計算精度高，尤其是能夠獲得較二維切片理論更為精確的濕表面水動壓力分布 [ii]。 確定計算載荷的譜分析法 規(guī)則波中船體載荷計算 船舶在規(guī)則波中穩(wěn)態(tài)響應的理論計算，通常是預報船舶在實際海浪中動態(tài)響應特性的基礎。在船體運動與波浪載荷的計算研究中，通常假定浮體所處的海域環(huán)境是均勻、不可壓縮、無粘、和無旋的理想流體，因而可以應用三維頻域線性勢流理論求解浮體水動力問題。本文采用上述理論來計算船舶的波浪載荷響應，其詳細計算原理參見文獻 [27]和 [28]等。 基于上述理論開發(fā)了三維線性波浪載荷計算軟件 WALCS，軟件以三維頻域線性水動力理論為基礎，將面元法和源匯分布法相結合求解浮體運動的三維輻射水動力系數，同時對繞射問題采用直接求解的方法，進而建立浮體的六自由度運動方程。求解浮體運動響應之后，進一步求出浮體的脈動壓力響應和剖面載荷響應。同時，可以考慮系泊錨鏈的恢復力效應，系泊系統恢復力剛度系數由懸鏈線理論計算。軟件可輸出船舶與浮式海洋平臺運動、剖面載荷及水動壓力的頻率響應函 數，并可針對給定海況資料進行短期預報和長期預報，得到載荷及響應的設計值。 波浪載荷預報 波浪載荷的預報是在波浪載荷理論計算的基礎上應用隨機過程理論而實現的。其目的是以規(guī)則波中的波浪載荷響應為基礎，通過理論計算，確定船舶在給定時間航行于實際海況中的波浪載荷變化特性。 根據統計時間的長短，波浪載荷的預報通常可分為短期預報和長期預報。 （ 1）短期預報 短期預報的時間范圍為半小時到數小時，在此時間內，船舶的裝載狀態(tài)、航速、航向角以及海情均可認為是固定不變的。短期海浪可視為均值為零的平穩(wěn)正態(tài)隨機過程。此時船體對波浪的響應可看作是線性不變系統。由隨機理論可知，在海浪的作用下 (輸 入 )，其響應 —— 波浪載荷 (輸出 )亦將是均值為零的平穩(wěn)正態(tài)隨機過程。輸入與輸出之間是通過下面的公式聯系著： ? ? ? ? ? ????????? ? ,T,H,S,V,H,V,T,H,S z3/12z3/1w ??? （ ） 式中 ? ???? ,T,H,S z3/1 是海浪譜密度； ? ???? ?,V,T,H,S z3/1w 是波浪載荷（可以具體是垂向波浪彎矩與剪力，水平波浪彎矩與剪力，扭矩，水動壓力等）的譜密度； ? ???? ?,V,H 是系統傳遞函數（又稱頻率響應函數）的模，常稱為幅頻特性、響應幅算子或增益因子，其值為單位規(guī)則波幅下的載荷響應幅值（可由規(guī)則波中的理論計算或水池模型試驗得到）。 ? 為波浪圓頻率， V為航速， ? 為組合波與主浪向的夾角， ? 為航向角， 31H／ 為有義波高， zT 為波浪的特征周期。 上式是船舶與海洋結構物耐波性和波浪載荷預報的理論基礎。 數學上可以證明，對于一個均值為零的平穩(wěn)正態(tài)隨機過程，在窄譜（譜寬系數小于 ）假定下，其幅值 X 服從 Rayleigh 分布，對 應的概率密度為 ?????????? Exe x pEx2)x(f 20 （ ） 其中 E為兩倍的波浪載荷方差 m： ? ??,V,T,Hm2E z3/1? （ ） 由譜密度函數的性質及式（ ），可知方差 ? ?? ?????????220 3/12220 3/13/1),(),(),(),(?? ????????????????ddTHSVHddVTHSVTHmzzwz （ ） 根據式（ ），可以進一步得到波浪載荷的各種特征值，如有義值 m2x 3/1 ? 。 （ 2）長期預報 長期預報，通常是對一種或幾種典型的裝載狀態(tài)分別進行。因此，在給定的裝載狀態(tài)下，此時的輸入變量是海況、航向角和航速。 由短期預報可知，在海況為 ? ?iz31 TH ，／ 中，船舶以航向角為 j? 、航速為 kV 運行時，其波浪載荷幅值 X小于某個可能值 x的概率，即 Rayleigh 分布函數 ? ?? ?????????? kjiz3/120 V,T,HExe x p1)x(F ? （ ） 如果認為由各種不同海況、不同航行狀態(tài)所組成的短期彼此相互獨立，那么長期概率分布將是各短期概率分布的加權組合，亦即波浪載荷幅值 X大于某一定值 x 的超越概率為 ? ? ? ????????? ???? ? ? ? kjiz3/1 2kji j k z3/1i V,)T,H(E xe x p)V(p),(p,)T,H(pxXP)x(Q ?? （ ） 因為航速對線性波浪載荷影響不大，故計算時 V可取為定值，即航速出現的概率 1)V(Pk ? 。海況出現的概率 )T,H(p z3/1i 取決于船舶實際運行海域的海浪統計資料。航向角出現的概率 )(pj ? ，按在 00 3600 ? 之間均勻分布的原則確定。通常規(guī)定船舶一生中遭到的波浪載荷循環(huán)數 810n? ，則計算時可取概率水平為Q=1/n=108。 一旦船舶的運行海域和概率水平確定之后，即可按上式求得所對應的波浪載荷特征最大值 maxX 。此值表示船舶在循環(huán)次數為 n 的整個使用期中，平均可能出現一次的最大波浪載荷。 上述對線性波浪載荷的預報方法，通常稱為譜分析法。 基于 Walcs 軟件的設計波法 要對 各主要載荷參數 所 對應的設計波中各因素 進行 定義。一般情況下，設計波各要素的定義如下： （ 1） 選擇典型的波浪環(huán)境參數，用三維 勢流理論 方法計算船體在單位波幅規(guī)則波下的運動和波浪載荷傳遞函數，運用概率論和數理統計理論，對以上所列舉的主要載荷控制參數進行長期預報。取一定概率水平或重現期的預報值作為設計值。為了簡便起見，有時也可用規(guī)范中給出的相應概率水平下的波浪載荷設計值代替長期預報值。 （ 2） 設計波的浪向和頻率根據主要載荷控制參數的傳遞函數最大值決定。 （ 3)設 計波的波幅等于主要載荷控制參數的設計極值除以對應的傳遞函數的最大幅值。 （ 4） 等效設計波的相位應取在使所考慮的主要載荷控制參數在余弦波作用下達到最大的相位或位置。 ，易知，如果 確定了波幅、浪向、頻率和相位，我們就可以得到等效設計波的形式， 其 具體過程如下： （ 1） 設計波的頻率和浪向 在給定的工況下，應用波浪載荷線性切片理論或三維方法計算船舶在單位規(guī)則波中的響應。計算中應考慮各個浪向和足夠范圍內的波頻。 根據選定工況的主要載荷控制參數，對計算的該載荷參數的頻率響應函數，在浪向和波頻范圍內搜索， 其中幅頻響應最大值對應的波向和波頻，即為設計波的波向 ? 和波頻 ? 。 用每個主要載荷參數的頻率響應函數達到最大值時的波頻，計算設計波的波長： 2/)2( ??? g? () 式中， λ 為設計波的波長； ? 為設計波的圓頻率。 (2) 設計波的波幅 設計波系統的波幅 是這樣確定的：所考慮的主要載荷參數的長期值除以該載荷參數幅頻響應的最大值。即：