1、 哈爾濱工程大學本科生畢業論文 基于 LR 軍船規范的艦船結構強度計算 院 系 名 稱：船舶工程學院 專 業 名 稱：船舶與海洋工程 指 導 老 師：任慧龍教授 學 生 姓 名：譚 海 波 摘摘 要要 隨著海軍艦船技術的發展，各西方先進海權國都先后推出了自己的軍船規范，而我國軍規入級的研究工作還剛剛起步。由于軍船的特殊使命，對于船的結構有比較高的要求，所以本文對軍船入籍船體強度評估方面的某些基礎問題進行了研究，從軍船的設計要求和任務要求出發進行了工作。主要工作如下：1.對波浪載荷進行預報，這個工作是在波浪載荷理論計算的基礎上應用隨機過程理論計算的基礎上應用隨機過程理論而實現的。其目的是以規則波

2、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。對波浪載荷進行線性分析，用譜分析的方法確定了波浪載荷的長期值，并與各規范值進行比較。2.考慮到砰擊等因素對波浪載荷的影響，采用水彈性時域分析方法，計算不同航速，不同海況下的非線性波浪載荷，并于規范計算值相比較，得出結論。3.結合前兩部分的計算結果進行綜合分析。ABSTRACTWith the development of the naval technology, many western sea-power countries constitute their own rules for milita

3、ry ships，while our country will have a long way in the research of military ships entering the classificationBecause of the special duty of military ships, they have a strong requirement in structure strength. This paper researches some basic problems in the strength evaluation when military ships e

4、nter the classification. The work begins from the requirement of ship design and task design. For this reason，the following problems are emphatically investigated1Predicting the waves loading on the basis of theoretical calculations, which is the application of random process theory. The purpose is

5、set the waves loading in the random waves as the basic. Changes in properties of waves loading of in the actual sea conditions at the given time would be determined by theoretical calculation. Long-term analysis for VBM(vertical bending moment)was performed by spectral analysis method based on 3D li

6、near wave loads calculationThe results were compared with those of other rules2. With slamming effects considered，nonlinear wave loads was computed in different speeds and sea states by a time-domain hydroelastic methodThe results were compared with those of other rules, and give conclusions3. Accor

7、ding to limit wave conditions and cruise wave conditions, strength check is done，on the basis of results analyzing related aboveWhen doing strength check, we use the direct method and the gradual destruction method. After comparing the two methods, we get conclusions.Key words：Wave loads；Hydroelasti

8、c analysis；Ultimate strength assessment；Direct calculation 目 錄第 1 章 緒論.11.1 課題的目的和意義.11.2 課題研究現狀.21.2.1 軍船入級研究現狀.21.2.2 船舶波浪載荷計算研究現狀.31.3 本文的主要工作.9第 2 章 波浪載荷的預報.112.1 概述.102.2 確定計算載荷的譜分析法.102.2.1 規則波中船體載荷計算.102.2.2 波浪載荷預報.112.3 基于 Walcs 軟件的設計波法.132.4 應用 Walcs 軟件確定設計波.142.4.1 walcs 軟件介紹 .142.4.2 設計波參

9、數的確定.152.5 實船參數.2.6 有限元建模簡單介紹2.6 本章小結.29第 3 章 相關規范中船體梁載荷的計算.3.1 國軍標中船體梁載荷的計算.3.2 LR 軍規中船體梁載荷的計算3.2.1 垂直波浪彎矩.303.2.2 艏部外飄沖擊總載荷.313.5 本章小結.34第 4 章 全船有限元強度校核.354.1 整船有限元模型的建立.354.2 屈服校核.354.3 靜水工況屈服校核.454.3.1 極限波浪工況.464.3.2 巡航波浪工況.464.3.3 兩種極限強度計算方法的比較.484.4 總結.48結論.48參考文獻.49致謝.54 第 1 章 緒論1.1 課題的目的和意義引

10、言現今，國際上軍船的設計建造技術,隨著整體制造業水平的提高，尤其是民船設計建造水平的快速提高,得到迅猛的發展。在新世紀的前后，軍船入級的風暴席卷了世界上主要的海軍裝備發達國家，這是一場從認識到行動，從體制、管理到技術標準諸方面的改革和發展，代表了國際上軍船設計技術的發展方向。這一切對于海軍裝備建設和造船工業正處在高速發展的我國船舶工業，是值得去關注、研究和分析的，對明確我國軍船設計技術的發展方向具有重要意義。民船與軍船的發展簡史民船與軍船都是航行在海上的平臺,就平臺本身而言，基本的航行狀態與性能并沒有本質的差別，只是它們各自的功能要求有所不同而已。縱觀幾百年來船舶的發展史，軍船乃起源于民船，但

11、最終似乎又歸宿于民船。對于軍船的入級，簡言之可視為船級社出版規范(軍船規范)的一種發展和執行。因此，所謂軍船的入級就是指遵守軍船所對應的規范(或規則);而軍船一旦入級，除了保證軍船船體結構、輪機及電力設備等達到各種技術標準和規定外，也將保證軍船的推進操縱及輔機系統，包括起重設備等都處于安全和可靠狀態，當然與民船一樣，軍船有時也得遵守一些國際性法規和協議。軍船入級后，海軍有關的管理部門對于軍船的常規事項，應作出相應的附加規定。通常，海軍管理部門對軍船的要求、采購負有責任，毫無疑問，海軍對采用的標準、驗收及認可還須負有特定的責任。作為一個體系，軍船入級規范涉及船體、輪機、電氣等多個方面，是一個負載

12、的系統工程。本論文的主要目的是對軍船船體方面的某些關鍵基礎問題和方法進行系統的研究，所涉及的主要問題有：結合某型實船的計算分析，研究LR 軍船規范中有關計算載荷與船體強度校核中的有關內容，并與我國現行軍規中的相應內容進行比較分析，給出有關的結論，為我國軍規的修改以及軍船入級規范的制訂提出建設性意見。1.2 課題研究現狀1.2.1 軍船入級研究現狀傳統上來說，各國的軍船都是按內部的技術標準來設計、建造、服役和管理的。如英國皇家海軍的軍船是以國防部在 1972 年出版的海軍工程標準(Navy Engineering StandardNES)為基礎來設計建造軍船的。NES 含有 100 條標準，自

13、1972 年以來按 NES 標準曾設計了 5 類新型軍船，其中包括 49 艘水面艦以及3 類潛艇。NES 中的方法多數是定數論的，其中包括設計載荷(波浪彎矩與砰擊振動彎矩)、拖帶及艦載機著艦的作業載荷、武器的沖擊受載以及爆炸載荷等，由應力的組合來評估結構的能力，包括極限承載能力，規定有限元計算及結構疲勞強度分析等。直到 1998 年海軍率先作了改革，決定軍船加入勞氏船級社，并從此后按其新規范(NSR)來設計和建造軍船又如原美國海軍規范，始終認定軍船應承受海浪環境的極值載荷以及軍用武器的攻擊性受載，并幾乎花了半個世紀，特別是在二次大戰之后，就軍船結構載荷的特性及其量值，通過模型試驗、實船試驗以及

14、經戰斗損傷軍船的評估和分析，將研究成果引入目己內部的軍船規范中。但這部規范其方法也是定數論的。以設計資料單( DDS)系列給出軍船設計的指導性文件。1998 年美國船級社(ABS)與美國海軍合作開發了“軍船規范”(Navy Vessel Rules NVR)，并在 2 004 年首次出版使用。在這一新的軍船規范中，對于船體設計彎矩，除承襲傳統的靜力平衡方法外，附加了設計載荷的概率計算方法，同時明確采用 FEM 計算及疲勞分析方法，還開發采用了模塊化(Modularity)的設計理念和方法以話應新型軍船完成多鐘使命任務的設計和建造要求。除上述國家之外，德國在原來由聯邦防衛技術與促進辦公室(BWB

15、)”出版的德國海軍標準”(German Naval Standard)的基礎上，在 1999 年由海軍權力機關進行了再版。軍船于 2 004 年入級 GL 后，該規范明確屬于軍船設計建造技術中的特殊部分渾船技術”(Naval Ship Technology)，而把德國船級社的民船規范，僅以軍船作為一個呼臺”的設計來相互聯系。顯然德國軍船的入級是軍船規范與民船規范的一種有機組合。直到 200 4 年，法國 BV，挪威船級社(DNV)及意大利船級社(RINA)相繼接納軍船入級，也同時出臺了相應的軍船規范(規則)。迄今為止，一些發達國家軍船入級的規范都具有下述的幾個技術特征:采用國際海事組織(IMO

16、)的技術標準一一目標型標準(GBS)；采用國際船級社(IACS)的技術標準;采用最新的船舶力學理論及計算的先進成果;保留軍船特定的功能性目標;考慮武備的影響武器的沖擊受載與爆炸受載;考慮多種新型材料的使用。 隨著海洋工程方面的技術發展，海洋工程入級規范也有較大發展。以上這些都是制定我國自己軍船入級規范的良好基礎。1.2.2 船舶波浪載荷的計算研究現狀 通常所謂的船舶結構載荷是廣義的，既指作用于船體上的直接載荷（如舷外水壓力、艙內液體壓力、結構及貨物重力等） ，也包括由直接載荷所引起的載荷效應（如船體的靜水彎矩、垂向波浪彎矩、水平波浪彎矩、扭矩、砰擊振動彎矩等） 。它們之中，有的屬于靜態載荷，如

17、舷外靜水壓力、艙內液體靜壓力、結構及貨物重力、船體靜水彎矩等；有的是與波浪振蕩頻率或船體結構固有頻率相關的動態載荷，如舷外波動壓力、液艙晃蕩壓力、垂向及水平波浪彎矩、扭矩、砰擊振動彎矩等。船舶在其壽命期內遭受的外力主要有結構自重、環境載荷、作業載荷和偶然性載荷。環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。航行于海上的船舶，在其整個服役期中，可能會以各種不同的航速、不同的航向角和不同的裝載狀況遭遇各種不同的海況。波浪載荷是評估船體結構安全性的關鍵性載荷。低頻波浪彎矩的確定，在船體總縱強度的分析中起

18、著決定性作用。然而限于科學技術的發展水平，在二十世紀五十年代之前，通常是按將船靜置于標準波浪上的方法來確定。這是一種在物理直觀的基礎上建立起來的半經驗性方法。該方法假定船舶與波浪同速同向，忽略了動力因素的影響，認為船舯最大波浪彎矩發生于波長與船長相等的規則波中。波形取為坦谷波，波高隨波長而變化。波峰在船舯與波谷在船舯是兩種危險的計算狀態。對所有船舶都采用這種靜置法來確定波浪彎矩，并將依此算得的總縱彎曲應力與標準的許用應力進行比較，這樣所得的船體強度，由于沒有考慮波浪載荷的變動性和隨機性，也沒有考慮船體承載能力的不確定性，所以只能是一種比較強度。AH克雷洛夫在 1896 年發表的“船舶在波浪上的

19、縱搖新理論及由此運動而產生的應力”及在 1898 年發表的“航行中船體所受的應力”的論文中，第一次提出了船舶在波浪中搖蕩運動和船體彎矩與剪力的動力計算方法。但，船舶波浪載荷的計算，真正地獲得突破性進展，還是在上世紀五十年代末船舶切片理論建立之后。在 1955 年 Korvin-Kroukovsky 1借用空氣動力學中的細長體概念，提出了處理船舶搖蕩問題的切片理論。該理論經 Korvin-Kroukovsky 與Jacobs2加以改進，形成了所謂的普通切片法(OSM)。隨后又有許多學者對切片法賴以建立的理論基礎進一步合理化和嚴密化，并將最初的迎浪縱向運動的計算推廣到斜浪五個自由度運動的計算，由此

20、產生了一批形式上類似的計算方法3-7。其中最有代表性的是合理切片法3、新切片法(NSM)4和 STF 法6。各種切片法之間的差別主要體現在二維水動力的計算方法、水動力系數耦合項及尾端修正項的處理、繞射力的確定三個方面，但所得的數值結果在大多數情況下相差不大。同眾多的船舶運動與剖面波浪載荷的研究文獻相比，有關船舶水動壓力預報的文獻則較少。小林正典7在線性切片理論基礎上計算了船體表面壓力，其中繞射壓力部分采用相對運動假設以簡化計算。C.H.Kim8通過定義二維繞射勢，直接求解繞射流場計算繞射壓力分量。對于常規的排水式船舶而言，切片理論能很好地估算波浪主干擾力、靜恢復力及慣性力，而這些力在相當大的頻

21、率范圍內支配著船舶運動和波浪載荷的大小。由于線性切片理論一般能給出較為準確的船舶運動與波浪載荷預報，并且易于實現數值計算，因此得到廣泛應用。只是在相對較低的遭遇頻率及高傅汝德數的情況下，線性切片理論的計算結果與實際情況才會有一定程度的偏差。盡管如此，1994 年 ITTC 會議認為，切片理論提供了傳輸方程的一種簡單的表示形式，并仍將在實踐中廣泛地應用。在中、高海況的情形下，船舶運動尤其是波浪載荷的非線性效應不容忽視。七十年代末以來，一些學者通過采用不同的技巧將上述線性切片理論加以擴展，得到工程實用的非線性計算方法，以便考慮源于船體瞬時濕表面的顯著變化而導致的流體靜力和動力的非線性特性以及大幅運

22、動時可能發生的砰擊現象。這一非線性特征和砰擊現象，一方面導致波浪載荷響應包含有高頻分量，另一方面會使其幅值發生明顯變化（船舶迎浪航行時的垂向剪力與彎矩這一點表現得尤為突出，此時規則波中的中拱和中垂分量不再相等） 。這些非線性計算方法大體上可以分為時域方法和頻域方法兩類。采用時域非線性方法的研究文獻較多。山本善之和滕野正隆9提出了一種用于估算船體垂向響應的非線性方法。其中流體力的計算，計及瞬時水下剖面的真實形狀以及水動力系數隨吃水的變化；求得船舶運動之后將船體當作彈性體進行處理；砰擊力由動量砰擊理論確定。由 Meyerhoff 和 Schlachter10提出的一種確定船體梁垂向載荷非線性響應的

23、方法，系通過對不規則海浪中船舶運行狀態的模擬來求解運動方程，其中考慮了波浪沖擊力對船舶運動的反饋。Borresen 和 Tellsgard11提出了一種預報大幅規則波中迎浪時船舶垂蕩和縱搖耦合運動以及垂向載荷非線性響應的方法，其中非線性得自船體瞬時浸濕表面上波浪壓力的積分，并計及外飄砰擊、底部砰擊和甲板上浪的效應。我國從事船舶水動力及結構外載荷研究的學者，在基于擴展的切片理論預報船舶運動與載荷的非線性響應方面，進行了深入的研究工作，取得了一些有價值的成果12-21。具有代表性的頻域非線性方法是 Jensen 和 Pedersen22-23 基于攝動原理所建立的二階理論。這一理論中的線性項等同于

24、經典的線性切片理論，二階項則起因于激勵波浪的非線性、船舶的非直舷以及非線性的流體動力。通過將船體橫剖面的水線寬度、附加質量和阻尼系數以及垂向運動量在平均位置處展成泰勒級數，獲得恢復力和流體動力的二階表達式，進而給出船體梁的二階響應。為了預報航行在中等海浪中船舶的最大中拱和中垂彎矩，應用統計方法進行處理。由于該理論考慮了船體的撓性，使它有可能用于研究非線性激勵力引起的彈振。以上研究工作基本上大都是針對船舶垂向運動作出的，而關于斜浪中波浪載荷計算的文獻相對較少。這一方面是因為多數情況下總縱彎曲是常規船舶結構設計的主要控制載荷；另一方面，在時域中步進求解斜浪中船舶運動微分方程時所存在的數值發散問題沒

25、有得到妥善的解決。通常，船舶的非線性運動方程的穩態解是在時域內采用直接法（如 4 階 Runge-Kutta 法） ，步進求解運動微分方程得到的。由于船舶在水平面內的運動不會引起恢復力，導致斜浪中船舶的橫蕩和艏搖運動產生過度的漂移，使求解過程無法持續進行。實際上，當船舶受到某一擾動漂離航線時，通常是通過操舵使船舶回到正確的航線上。而操舵過程中，舵及船體上流體作用力的計算是相當復雜的。日本學者 Fukasawa24曾提出采用數字濾波技術消除發散成分，從而得到穩定的運動響應，但由于計算機時過長，給實際應用帶來不便。目前國際上通用的方法是建立可計及操舵效應的船舶運動方程25-26。此外，針對經典的切

26、片理論預報高速船的運動響應效果欠佳，充分考慮高速船舶特點的高速細長體理論（二維半方法）應運而生。在高速細長體理論中，流場速度勢的控制方程和物面條件仍然是二維的，而自由表面條件則采用三維形式。該理論假定船舶航速較高時，船首處的非定常擾動勢為零，水波只向后傳播。對于航速不太高的肥大船型，這一假設是不能成立的，故高速細長體理論僅適合于高航速下的船舶耐波性的預報。時域問題的完善解法是通過建立初、邊值問題來解決。Finkelstein27系統推導了各種自由表面時域 Green 函數，為時域計算打下了堅實的基礎。Cummins28利用脈沖響應函數理論，將擾動速度勢分解為瞬時項和記憶項兩個部分分別求解，從而

27、將船體的幾何形狀與船舶運動相分離。Ogilvie29總結了上述理論，并將其推廣到有航速情形。目前應用時域格林函數求解非線性問題已取得了很大進展。求解三維水動力的邊界元方法主要有兩類，一類是格林函數法，另一類是Rankine 源方法30。格林函數法采用在船體表面布置源的方法來確定速度勢。點源速度勢格林函數滿足除船體表面以外的所有邊界條件，而流場速度勢可以由格林函數沿船體濕表面的積分得到。利用這一方法處理無航速船舶及海洋工程結構物的運動和載荷問題十分成功；對于有航速問題，由于有航速頻域格林函數計算的復雜性和積分方程中水線積分項難以精確處理，增加了求解問題的難度。為此，許多人引入了低航速假定，利用無

28、航速格林函數并加上關于航速的修正項來處理此問題。Rankine 源法在近些年得到了迅速發展，并被擴展到非線性問題計算中。該方法的主要優點在于比較容易確定影響系數矩陣，并且易于拓展到非線性情況。然而這一方法需要在自由表面上布置單元，因此所需求解方程組十分龐大。由于真實的船舶是個彈性體，船舶在波浪中航行時，一方面船體因波浪作用而產生剛體運動及彈性變形，另一方面船體的剛體運動和彈性變形又反饋于流體作用力。因此有必要采用水彈性力學的方法分析水動力、慣性力和彈性力之間的相互作用，研究流體和結構的耦合動力問題。Bishop 和 Price31首先應用水彈性力學的方法系統地研究撓性船體在波浪中的動力響應問題

29、。將船體模型化為一根兩端自由的彈性梁，與精典的切片理論相結合，采用結構模態分析法求解船體在波浪中的動力響應。由于在模態中引入了剛體模態，因而這種方法可以同時得到剛體位移和彈性變形。其后又有許多學者將水彈性方法與擴展的切片理論相結合，用于非線性波浪載荷的預報91022。吳有生32提出了廣義的流固界面條件和環繞彈性體的三維勢流理論，從而形成一個適用于在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展并開始應用于實際。美國海軍開發了一個多層次的大幅運

30、動程序 LAMP33,34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 LAMP-1 為其線性版本，LAMP-2 和 LAMP-4 為非線性版本，后二者考慮的非線性程度有所不同。LAMP-2 考慮非線性靜恢復力和非線性 Froude-Krylov 波浪力，以及三維線性水動力和平均自由面邊界狀態；LAMP-4 則考慮了非線性靜恢復力和非線性 Froude-Krylov 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。開發 LAMP-2 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

31、 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，

32、對理論計算方法進行改進和完善。當前，已發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

33、力的穩態響應。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。1.3 本文的主要工作1.利用基于三維頻域線性水動力理論開發的軟件計算船舶的波浪載荷并進行長期分析，此時船舶航速較低，不考慮載荷的非線性影響，對一

34、條軍船進行長期分析，并將計算結果與我國現行軍規、共同規范、各船級社軍船入級規范（LR 軍船入級規范、BV 軍船入級規范） 、準則等的計算值進行比較分析。2.考慮到船底砰擊、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，分別按照中拱、中垂狀態取合彎矩的峰值（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范，分別給出了結

35、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，并與我國現行軍規中的相應內容進行比較分析，給出有關的結論，為我國軍規的修改以及軍船入級規范的制訂提出建設性意見 第二章 波浪載荷的預報 2.1 概述船舶在其壽命期內遭受的外力主要有結構自重、環境載荷、作業載荷和偶然性載荷。環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

36、。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

37、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。2.2 確定計算載荷的譜分析法2.2.1 規則波中船體載荷計算船舶在規則波中穩態響應的理論計算，通常是預報船舶在實際海浪中動態響應特性的基礎。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?；谏鲜隼碚撻_發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

38、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。2.2.2 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

39、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、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正態隨機過程。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正態隨機過程。輸入與輸出之間是通過下面的公式聯系著： （2.1） ,T,H,S,V,H,V,T,H,Sz3/12z3/1w式中是海浪譜密度；是波浪載荷,T,H,Sz3/1,V,T,H,Sz3/1w（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；是系統傳遞函數（又稱頻率

40、響應函數）的模，常稱為,V,H幅頻特性、響應幅算子或增益因子，其值為單位規則波幅下的載荷響應幅值（可由規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，為有義波高，為波浪的特31H，zT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正態隨機過程，在窄譜（譜寬系數小于 0.4）假定下，其幅值 X 服從 Rayleigh 分布，對應的概率密度為 （2.2）ExexpEx2)x(f20其中 E 為兩倍的波浪載荷方差 m： （2.3）,V,T,Hm2Ez3/1由譜密度函數的性質及式（2.1） ，可

41、知方差 （2.4） 2203/122203/13/1),(),(),(),(ddTHSVHddVTHSVTHmzzwz根據式（2.2） ，可以進一步得到波浪載荷的各種特征值，如有義值。m2x3/1（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分別進行。因此，在給定的裝載狀態下，此時的輸入變量是海況、航向角和航速。由短期預報可知，在海況為中，船舶以航向角為、航速為iz31TH，j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kV數 （2.5）kjiz3/120V,T,HExexp1)x(F如果認為由各種不同海況、不同航行狀態所組成的短期彼此相互獨立

42、，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 kjiz3/12kjijkz3/1iV,)T,H(Exexp)V(p),(p, )T,H(pxXP)x(Q（2.6）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。海況出現的概率取決于船舶實際運行海域的海浪1)V(Pk)T,H(pz3/1i統計資料。航向角出現的概率，按在之間均勻分布的原則確定。)(pj003600 通常規定船舶一生中遭到的波浪載荷循環數，則計算時可取概率水平為810n Q=1/n=10-8。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

43、的波浪載荷特征最大值。此值表示船舶在循環次數為 n 的整個使用期中，平均可maxX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。2.3 基于 Walcs 軟件的設計波法1.設計波系統的確定就是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） 選擇典型的波浪環境參數，用三維勢流理論方法計算船體在單位波幅規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

44、。（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。2.由以上所述，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

45、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： (1.1)2/ )2(g式中，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： (1.2)式(1.2)中，為設計波的波幅。a(3) 各載荷成分的相位關系由于等效設計波是簡諧變化的，不同瞬時各載荷分量的組合是不同的，因此在確定完設計波系統的各要素后，要進一步給定計算瞬時。計算瞬時一般取為主要載荷參數達到最大值(可正可負)的時刻，并且要同時規定此工況下的船舶受力狀態(垂向波浪彎矩是中垂還是

46、中拱)。否則，得到的結論將是不唯一的。由于采用的是線性理論，在簡諧變化的波浪力作用下，船舶的剖面載荷、運動和局部的動態響應等也是簡諧變化的： (1.3)cos(jejjtaAM式中，為第載荷分量(剖面載荷、運動等)的瞬時值；為第載荷分jMjjAj量頻響函數的幅值；為設計波波幅；為與設計波波頻對應的遭遇頻率；ae為第載荷分量頻響函數的相位角jj2.4 應用 Walcs 軟件確定設計波2.4.1 Walcs 軟件介紹Walcs 軟件是由哈爾濱工程大學研發，由哈爾濱工程大學與中國船級社聯合發布的。本程序用于計算低速航行于有限和無限水深規則波中船舶的運動、剖面載荷和脈動壓力的穩態響應。該程序以三維輻射

47、水動力理論為基礎，將面元法和源匯分部法相結合求解浮體運動的三維水動力系數，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。進而，可以計算輸出用于統計預報的運動、剖面載荷及壓力傳遞函數。值該參數幅頻響應的最大主要載荷參數的長期值a2.4.2 設計波參數的確定（一）繪制濕網格注意網格數不要超過兩千個，推薦利用 patran 等建模軟件繪制，并將其導入 Walcs。導入后，如下圖所示。 圖圖 2.1 水動力網格水動力網格（二）控制參數設置1）計算控制參數： 水深控制參數：無限水深 橫搖修正方法：臨界阻尼 波浪頻率輸入

48、方式：自然頻率 方程組求解方法：GMRES2）輸出控制參數：譜分析法注：其它參數易于選擇，故沒有一一列出，下同。（三）質量模型建立即輸入重量參數 ，本計算實例艦船主要重量數據如下：1）船體分段質量模型 吃水：6.94m 總重：3135.32t 重心位置 X：48.971 Y：0 Z：5.447（四）環境參數控制 按艦船工作的具體環境選擇合適的參數，填入下圖空中，本例為所要設計艦船的環境參數： 圖圖 2.2 環境參數環境參數（五）進行計算，并提取計算結果。我們以垂向彎矩作為控制載荷，進行搜索，可得到下圖。圖圖 2.3 控制參數控制參數由圖，易看出 Ome=0.8 時，垂向彎矩在船舯取得最大值，因

49、此我們得到了設計波的波頻=0.8，計算時選取舯拱，或舯垂受力狀態。并得到該載荷參數幅頻響應的最大值 4.205E+4 kN。（六）進行長期預報在 Walcs 軟件環境下，需要根據船的實際工作條件，和我們所關心的參數數據，分別輸入統計分析控制參數設置和海況參數設置。關于統計分析控制參數設置，由于作者要確定涉及波參數所以關注剖面載荷， 波浪譜選擇 ISSC雙參譜，長峰波、短峰波都應考慮，本文海況選取的是北大西洋海況。擴散函數為 ： *2*)cos(/2最后，令 Walcs 軟件自行運算便可得到不同浪向，不同概率水平的長期值 （此處缺少一個圖） 由上圖易知，浪向選擇 0 浪向，即迎浪狀態，本例中，概

50、率水平選擇為1E-05，即平時巡航狀態。主要載荷參數的長期值為 5.27E+05Kn。根據設計波法，設計波的波幅： 表 3.1 總載荷規范計算值總載荷規范值中拱中垂垂直波浪彎矩 Mw（KN.m） （船舯）147453.33-259182.59正剪力負剪力垂向波浪剪力 QW（KN）（距艏柱 1/4 船長處剖面）3399.95-5976.18正剪力負剪力垂向波浪剪力 QW（KN）（距艉柱 1/4 船長處剖面）6505.17-3700.90表 1.1 設計波參數工況編號波幅(m)頻率浪向相位值該參數幅頻響應的最大主要載荷參數的長期值aLC14.1070.80-18.6LC27.2200.80161.

51、2LC102.4290.80-358.87LC114.2680.80-178.87LC124.3950.80-196.77LC132.5010.80-16.77在得到設計波參數后，利用 Walcs 軟件可以方便地計算出可加載在 Patran有限元模型上的波浪載荷。由此可以得出以下的確定設計波的簡單流程圖：。選擇典型的波浪環境參數計算波浪載荷傳遞函數對主要控制載荷參數進行長期預報確定設計波2.5 軍船的主要參數 目標船為某軍船，具體參數如表 2.1： 表表 2.12.1 某軍船的主要參數某軍船的主要參數項目數據單位船體總長120.000m設計水線長112.000m型寬14.400 m型深8.20

52、00m設計吃水3.87m設計排水量2880t設計航速28kn方型系數0.502水線面系數0.7086 對船體結構進行應力計算和分析就是為了對船體強度進行校核，所謂船體強度就是研究船體結構安全性的科學。船體強度的任務是研究船體結構抵抗破壞的能力和變形的規律。所謂結構的安全是指結構能承受在正常施工和正常使用時可能出現的各種載荷和(或)載荷效應，并在偶然事件發生時及發生后，仍能保持必需的整體穩定性。此外，結構在正常使用時，還必須適合營運的要求，并在正常的維護保養條件下，具有足夠的耐久性。船體強度一般包括屈服強度，屈曲強度，疲勞強度與極限強度。本文只校核屈服強度。2.6 有限元建模簡單介紹2.6.1

53、有限元建?；疽?基于表 2.1 里面某軍船的主要參數，船體采用船用 EH36(=355N/mm )高強度鋼,型鋼采用 DH36 高強度鋼，內圍壁及其扶強材采用 A 級鋼。有限元計算模型內容主要由以下幾部分構成： （1）單元類型計算模型中共采用三類單元：板單元（殼單元） ，有面內剛度和面外彎曲剛度，且厚度不變；梁單元，是線單元，具有軸向、扭轉和雙剪切力和彎曲剛度，沿單元長度特性不變；桿單元，它也是線單元，僅有軸向剛度，沿單元長度橫剖面積不變。（2）模型網格劃分要求及理論基礎a. 主要構件和載荷對稱于縱中剖面時，則可以僅模型化船體結構的右舷（或左舷） 。b.船體結構有限元網格沿船殼橫向按縱骨間

54、距或類似的間距劃分，縱向按肋骨間距的一半或類似的間距大小劃分。c. 在高應力區和高應力變化區盡可能避免使用三角形單元，盡量采用四邊形單元。d. 對于承受水壓力和貨物壓力的各類板上的扶強材用梁單元模擬，并考慮偏心的影響?？v桁、肋板上加強筋、肋骨和肘板等主要構件的面板和加強筋可用桿單元模擬。e. 單元許用應力標準采用的是膜應力，即：彎曲板單元的中面應力。梁單元采用的是軸向應力。(3)需要建模的構件有限元模型包括船體左右舷結構，即全寬模型，這樣做是為了簡化非對稱性載荷工況分析。另外有限元模型應包括船體整個型深。所有主要縱向和橫向結構單元均應在有限元模型中表示出來。主要板材和骨材，如舷側外板、甲板板、

55、外底板、內底板、艙壁板、甲板和艙口圍板等及其以上的扶強材；桁材及其以上的扶強材，如甲板縱桁、底縱桁和垂直桁；主要支撐構件上垂直于面板的腹板和加強筋；大肘板，甲板強橫梁、桁材上平行于面板的加強筋；內部縱向加強筋和垂直加強筋。(4)坐標系統和單位系統全船模型的總體坐標系采用笛卡兒直角坐標系，原點設在船舯處中縱剖面與基線相交處：X 軸：沿船縱向，由原點指向船首方向為正；Y 軸：沿船橫向，由中縱剖面指向左舷為正；Z 軸：沿船垂向，從基線向上為正。單位系統：采用國際單位制，長度為米（m） 、質量為千克（kg） 、力為牛頓（N） ，應力為帕（Pa） 。2.6.2 有限元建模 按照以上建模原則，有限元模型如

56、下列各圖所示。 圖 2.1 全船有限元模型 圖 2.2 全船有限元模型（中縱剖面）圖 2.3 船中典型艙壁有限元模型 圖 2.4 船中典型橫剖面有限元模型2 2.6.3 有限元模型的邊界條件本文所采用的邊界條件為慣性釋放。我們知道，船體在航行時結構處于“全自由”狀態，但是，對有限元模型進行靜態分析時，不能處理為全自由狀態，因為所加外載荷一般情況下不可能完全平衡，因而會使模型出現加速度，導致不能求解。用傳統的方法施加限制轉角的邊界條件，不僅不能十分準確的描述船體的變形情況，而且支座處還會產生很大的支反力，導致計算結構不準。慣性釋放（inertia relief）是 MSC/PATRAN 軟件中的

57、一種邊界條件，允許對完全無約束的結構進行靜力分析。簡單的說，就是通過結果的慣性力來平衡外力，盡管結果沒有約束，分析時仍假設其處于一種靜態的平衡狀態。采用慣性釋放功能進行靜力分析時，將整個船體視為一個剛體結構，只需要對一個節點進行六個自由度的約束，相當于該處有一個虛擬支座。針對該支座，程序首先計算在外力作用下在每個方向上的加速度，然后將加速度轉化為慣性力反向施加在每個節點上，由此構造一個平衡力系，恰好使位于虛支座處的點靜止且反力為零。其基本原理，與剛體運動的原理相同，剛體的運動可以分解為重心的平移與繞剛體重心的旋轉運動，因此，選擇慣性釋放點（即虛支座位置）時，盡量選擇最靠近船體重心的節點處，節點

58、離重心位置越遠，有剛體運動的原理可知，相當于繞某支座的運動，這時除繞重心的運動外，還增加了相對運動，改變了每個節點上的加速度，使得模擬不準確，因此，采用慣性釋放的關鍵：一是盡可能讓外力平衡，減少因平衡外力而增加的慣性力；二是使選取的慣性釋放點位置離重心越近越好。由于全船有限元模型如實地反映了實際的質量分布，因此計算模型基本上已處于自由平衡狀態，但要求消除模型的空間剛體運動，需對模型給以剛體運動約束，但不可妨礙船體的相對變形，因此采用慣性釋放的方式來平衡全船有限元模型，在選取慣性釋放點時，采取離重心最近的點為慣性釋放點，保證了計算的準確性。2.6.4 總載荷及計算工況的確定 在得到已經經過重心調

59、整的有限元模型后，為進行強度校核要進行載荷加載，依據 CCS 規范的要求，在進行船體強度校核時要確定的設計載荷包括：靜水壓力、水動壓力、貨物靜壓力、貨物慣性力。其中靜水壓力和貨物靜壓力可以通過在 Patran 軟件中設定壓力場函數得到，而水動壓力和貨物慣性力的獲得，要借助于設計波法，借助于它得到設計波的浪向、波幅、周期、相位等參數，將其輸入到 Walcs 軟件中，應用前一節闡述的方法計算在此設計波下的水動壓力、以及中心處的加速度等文件。知道了水動壓力就可以通過接口程序將其映射到有限元模型上；知道了重心處的加速度，再通過相對運動的公式就可以得到各個艙室參考點的加速度，進而獲得貨物慣性力。這樣設計

60、載荷都確定后就可以加載到有限元模型上校核船體結構的強度了。加載完載荷后，要將所建立載荷組合成一個工況，并將船體慣性釋放，以便后續工作的進行。2.7 載荷施加方式2.7.1 靜水彎矩 根據勞氏規范，靜水彎矩包括：（1）自重由于船體建模時產生，具體來說，當給予模型一定的板厚、材料屬性后，就會得到相應的質量，包括質心位置。（2）機械、舾裝以及其他設備所有的主要結構采用在相應位置施加集中力或壓力載荷的方式模擬。次要的或不明的結構可包含在鋼材重量之中。（3）浮力載荷根據吃水以及浮態設計場函數，以壓力載荷的形式施加在船殼表面上。（4）壓載和燃油以壓力載荷的方式施加到艙室邊界，場函數的設定視實際的液壓壓頭和