弹振与颤振响应对超大型集装箱船的疲劳强度影响研究

摘要

近年，为降低航运成本并达到节能环保要求，集装箱船的发展日趋大型化。尺度的增大、载重量的增加导致超大型集装箱船固有频率降低;同时，超大型集装箱船航速高且艏部具有大外飘结构，容易遭受砰击载荷;因此，超大型集装箱船在波浪中的弹振与颤振现象频繁发生，弹振与颤振响应会显著增加疲劳载荷，对超大型集装箱船的疲劳强度产生较大影响。本文研究了超大型集装箱船弹振与颤振响应预报方法，进而建立弹振与颤振响应对超大型集装箱船疲劳强度影响评估的系统方法。本文具体研究内容如下:
　　(1)根据薄壁梁结构力学相关理论，考虑大开口剖面翘曲变形，实现集装箱船剖面弯曲、扭转特性参数快速获取;然后，采用迁移矩阵法进行垂向及弯扭耦合模态计算分析，并与商业有限元软件结果进行对比分析，并提出了一种同时适用于迁移矩阵法及有限元软件MSC.PATRAN/NASTRAN干模态振型结果的船体变形水动力网格自动划分方法。
　　(2)针对超大型集装箱船弹振及颤振载荷计算方法展开研究。基于三维线性频域水弹性方法，预报超大型集装箱船弹振载荷;为避免复杂的时域水动力计算，研究了一种较为简单有效的砰击颤振载荷时域预报方法，将频域运动及剖面载荷结果向时域范围转化，计入外飘砰击力，建立船体非线性时域强迫振动方程，采用模态叠加法计算砰击颤振载荷。
　　(3)结合本文弹振及颤振载荷预报方法，给出了考虑弹振与颤振响应的船体结构疲劳损伤计算方法。考虑弹振导致的应力谱双峰特性，提供了一种适用于弹振的疲劳谱分析理论模型，并验证了该模型的正确性;采用雨流计数法结合累积损伤理论计算考虑颤振的疲劳损伤。基于含弹振与颤振响应的波浪弯矩诱导疲劳损伤计算结果，给出计入弹振及颤振影响的船体梁设计应力范围修正系数，建立了弹振与颤振响应对超大型集装箱船疲劳强度影响评估的系统方法。然后，比较分析了ABS、CCS、DNVGL船级社现有规范计入弹振与颤振对疲劳强度影响的方法。
　　(4)以一艘9200TEU集装箱船为例，针对不同航速、装载、浪向和海况等因素下的弹振及颤振对船体疲劳损伤影响进行了详细的计算分析，为弹振及颤振响应疲劳评估计算参数选择提供依据。最后，将计入弹振及颤振影响的修正系数与船体疲劳强度规范相结合，利用简化应力方法对船舯纵骨节点进行疲劳损伤计算分析。