高低频组合应力作用下结构疲劳强度研究

摘要

近年来，不断推出大型船舶，其结构的固有频率已达到很低的水平(4rad/s)，在一些海况中会导致船体结构发生共振。在应力响应谱中，出现明显的双峰形式，大大地增加了结构热点应力范围，造成较严重的疲劳破坏。本文主要针对高低频组合应力作用下船体结构产生的疲劳问题，研究了弹性船体高低频载荷预报方法与高低频组合应力作用下船体结构疲劳强度评估方法。本文的主要研究内容如下:
　　1)研究了集装箱船剖面特征参数的计算方法。将集装箱船简化为槽型薄壁梁，结合槽型薄壁梁截面弯曲切应力分布规律，推导了槽型薄壁梁截面的弯曲中心及扭转中心计算公式，获取了船体梁截面的剖面信息。进而采用迁移矩阵法计算船体结构的模态。同时采用有限元法计算船体结构的模态，对两种结果的差异性进行了分析。
　　2)研究了高低频载荷的计算方法。基于三维频域水弹性理论，分析了船体的载荷特性。为了保证载荷数值仿真的准确性，分析了水动力系数、高低频载荷的网格收敛。探讨了阻尼系数、航速、浪向等因素对高低频载荷的影响。
　　3)研究了高低频组合应力作用下的船体结构疲劳强度评估频域与时域方法。提出了一种基于等效双频波模型的组合应力疲劳评估时域分析方法，分析了高低频应力成分的频率特性及幅值特性。通过将规则波中载荷响应RAO转化为具体海况下非规则波下载荷响应时历，以雨流计数法计算的疲劳损伤结果为标准，分析等效双频波模型的误差，并于谱分析方法的计算结果做了比较分析。以等效双频波模型及有限元法为基础，提出一种计及扭转的船体结构疲劳评估时域方法。分析了扭转载荷对集装箱船疲劳强度的影响。
　　4)研究了一艘20000TEU集装箱船疲劳特性。分析了集装箱船的应力集中程度，明确了海浪谱的中有义波高、平均周期的效能。结合频域谱分析法计算了含高频应力成分的疲劳损伤，分析了频率分点的选取方法对结构疲劳损伤增量的影响。同时，也分析了应力成份、航速、载荷成份、浪向等计算参数的疲劳损伤差异性。

目录

声明

摘要

第1章绪论

1．1研究意义和背景

1．2国内外研究现状

1．2．1高低波浪载荷的响应研究

1．2．2高低频组合应力对船体结构疲劳强度影响

1．3本文研究工作

第2章弹性船体高低频载荷计算方法

2．1概述

2．2船体结构模态分析方法

2．2．1集装箱船的剖面信息获取

2．2．2基于槽型薄壁梁迁移矩阵法的船体结构模态分析

2．2．3基于三维模型有限元法的船体结构模态分析

2．3基于三维频域水弹性理论的高低频载荷计算方法

2．3．1假设条件与坐标系建立

2．3．2弹性船体周围流场速度势的分解与边界条件

2．3．3扰动势与广义水动力的求解

2．3．4水弹性力学运动方程建立与求解

2．4算例分析

2．4．1剖面信息计算结果

2．4．2模态结果对比分析

2．4．3高低频载荷计算结果

2．5本章小结

第3章高低频组合应力作用下船体结构疲劳损伤评估方法

3．1概述

3．2基于线性累积损伤模型的组合应力疲劳评估谱分析方法

3．2．1短期海况下应力范围的概率密度函数

3．2．2疲劳损伤计算

3．3基于雨流计数法的组合应力疲劳评估时域分析方法

3．3．1应力时历的获取方法

3．3．2雨流计数法

3．3．3疲劳损伤计算

3．4基于等效双频波模型的组合应力疲劳评估时域分析方法

3．4．1等效双频波模型的概念

3．4．2高频应力成分的幅频特性

3．4．3低频应力成分的幅频特性

3．4．4高低频应力成分初相位差的获取

3．5计及扭转的船体结构疲劳评估时域方法

3．5．1应力传递函数RAO的获取方法

3．5．2规则波的水动压力及边界条件

3．5．3算例分析

3．6本章小结

第4章高低频组合应力对船体结构疲劳强度影响分析

4．1概述

4．2船体结构典型节点应力集中程度分析

4．2．1集装箱船疲劳热点分布分析

4．2．2模型细化

4．2．3应力集中系数计算分析

4．3计算海浪谱分析

4．3．1海浪谱形式确定

4．3．2有义波高、平均周期的效能分析

4．3．3高低频组合应力工况的确定

4．4频率分点对疲劳损伤的影响分析

4．4．1规范法对频率分点的选择

4．4．2新形式频率分点的选择

4．4．3疲劳损伤结果对比分析

4．5疲劳损伤差异性分析

4．5．1应力成份的影响

4．5．2航速的影响

4．5．3载荷成分的影响

4．5．4浪向的影响

4．6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