考虑弹振与颤振效应的超大型集装箱船结构强度研究

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。

目录

声明

摘要

第1章绪论

1．1研究背景及意义

1．2国内外研究现状

1．2．1集装箱船的弹振与颤振响应研究

1．2．2弹性效应对集装箱船结构强度的影响

1．3本文主要研究内容

第2章超大型集装箱船载荷响应特征理论研究

2．1概述

2．2弹性船体干模态分析方法

2．2．1迁移矩阵法

2．2．2有限元理论

2．3超大型集装箱船弹振载荷计算方法

2．3．1流场速度势分解

2．3．2非定常扰动势定解条件

2．3．3非定常势求解

2．3．4船体所受广义力的求解

2．3．5弹振载荷求解

2．3．6弹振载荷后处理

2．4超大型集装箱船颤振载荷计算方法

2．4．1砰击力

2．4．2广义流体力的时域表达

2．4．3颤振载荷求解

2．4．4颤振载荷后处理

2．5超大型集装箱船载荷响应特征理论结果分析

2．5．1模态分析

2．5．2超大型集装箱船弹振响应计算

2．5．3超大型集装箱船颤振响应计算

2．6弹振效应对目标船波浪载荷的影响研究

2．6．1基于“刚体假设’’的计算结果对比分析

2．6．2弹振载荷计算结果对比分析

2．7本章小结

第3章超大型集装箱船载荷响应特征试验研究

3．1概述

3．2超大型集装箱船模型试验技术

3．2．1模型设计参数

3．2．2水池试验条件

3．2．3试验测试内容

3．3超大型集装箱船模型试验海况研究

3．3．1实船信息

3．3．2试验工况选取

3．4超大型集装箱船模型试验结果

3．4．1模型测试响应结果

3．4．2 DSS_3顶浪工况模型测试响应结果分析

3．4．2 DSS_4斜浪工况模型测试响应结果分析

3．5本章小结

第4章弹振和颤振对超大型集装箱船结构的影响研究

4．1概述

4．2弹振效应对超大型集装箱船疲劳强度的影响研究

4．2．1疲劳谱分析方法简述

4．2．2超大型集装箱船疲劳损伤计算

4．2．3疲劳强度计算分析

4．3颤振效应对超大型集装箱船极限强度的影响研究

4．3．1船体剖面极限承载能力求解

4．3．2考虑颤振效应的船体极限强度校核

4．3．3颤振效应对极限强度的影响研究

4．3．4规范载荷与数值载荷对比研究

4．4本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢