考虑弹振与颤振效应的超大型集装箱船结构强度研究

发布时间：2020-06-18 02:19

【摘要】：在航运业激烈市场竞争的推动下,集装箱船尺度越来越大,尺度的增大与载重量的增加导致集装箱船的船体梁结构振动固有频率降低;箱船航速高,艏部大外飘,在波浪中航行时砰击现象明显;理论和实测表明,超大型集装箱船的弹振和颤振现象在航行过程中频繁发生,弹振和颤振效应对船舶的疲劳和极限强度产生重大的影响。本文主要利用数值方法计算研究了一艘两万箱级超大型集装箱船的载荷响应特性,校核了考虑弹振效应下的疲劳强度以及考虑颤振效应下的极限强度;通过计算确定了模型试验与颤振载荷计算工况,进行了超大型集装箱船的水弹性模型试验,把模型试验结果和数值计算结果进行了对比,发现二者吻合度较高。本文的具体研究内容如下:(1)对比了考虑弯扭耦合模态和不考虑弯扭耦合模态时船体干模态计算结果,并发现目标船的弯扭耦合模态不可忽略;计算了目标船在波浪中的线性载荷响应特性,发现弹振现象十分明显;计算目标船在波浪中的非线性载荷,对时历载荷进行了频域谱分析、极值拟合分析;最后把考虑弯扭耦合模态和不考虑弯扭耦合模态的载荷计算结果进行了对比分析。(2)对于特定控制载荷,通过对线性理论的长期结果进行分析,选择对控制载荷长期值贡献率最大的海况和易触发弹振、颤振的海况作为模型试验海况进行不规则波下模型试验,根据控制载荷响应特性确定规则波试验工况;把船体运动、波浪载荷的试验值和数值计算结果进行了对比,发现二者吻合度较高。(3)计算分析了目标船的结构响应特性,通过谱分析法计算各热点的疲劳损伤,并与刚体理论计算结果进行对比,发现弹振效应极大的加剧了疲劳问题;通过Smith方法计算剖面的极限弯矩,并依据法国BV规范“Structural Rules for Container Ships”~([50])中“Ch5,Sec2”对目标船极限强度进行校核并进一步研究了颤振对船体所受载荷的影响。
【学位授予单位】：哈尔滨工程大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：U674.131
【图文】：

海上事故,集装箱船

哈尔滨工程大学硕士学位论文要由艏部外飘砰击以及底部砰击组成。在较为恶劣海况下,这种由于砰击产生的内的高频砰击振动弯矩几乎与低频波浪弯矩在同一量级，当二者联合作用时，致船舶总纵强度的丧失[1]。2007 年 1 月 18 日，巴拿马级箱船 MSC Napoli 在英吉利海峡遭遇风暴造成机裂，面临沉没的危险，26 名船员被迫弃船；2013 年 6 月 17 日，商船三井 811装箱船 MOL Comfort‖号在也门外海 200 海里处遭遇恶劣天气导致货舱进水，部断裂。MAIB（2008）[2]与 NK（2014）[3]的报告中显示船体弹性效应导致的度不足是造成这两次事故的一个重大促成因素，船体梁的极限强度裕度不足是的主要原因。

水弹性理论,计算流程

第 1 章绪论弹性理论建立在二维势流假设与 Timoshenko 线性梁假设之下，十分适用于计算对称（垂向弯曲）与反对称（弯扭耦合）波浪诱导载荷。水弹性理论考虑了船体的刚体运动与扭曲运动，并利用卷积积分的形式来计算计及瞬时砰击力的波浪诱导载荷[8]。近年来，在大型军用舰船与广泛的民用船舶如油轮、散货船以及集装箱船等的结构设计当中常常应用水弹性理论，在实船测试与水弹性理论计算结果的对比中也证明了水弹性理论的合理性[10-18]。三维水弹性理论发展于上世纪八十年代末，该水弹性理论可应用非梁类海洋结构物的波浪载荷计算，例如多体船[19]。该理论主要利用了三维有限元模型以及三维势流理论分析方法，能够应用于三维结构模型的波浪载荷计算。该理论的应用范围从小水线面双体船、三体船到单体船[19-23]。此外，学者们通过对对采矿船、散货船以及集装箱船的二维和三维水弹性分析比较，评估了梁结构建模的影响[15-18]。经过前人的探索，目前应用水弹性理论指导船舶结构设计时存在了一套很成熟的计算流程，如图 1.3 所示。

【参考文献】