宽扁结构垂向波浪弯矩及其对疲劳强度影响研究

摘要

随着海洋资源开发的加速推进，大型浮式结构物受到海洋国家的青睐；一些江河、沿海、岛屿之间航行的船舶，由于运能需求旺盛，存在大型化趋势，但吃水却受到限制。这些结构物均呈现宽扁化的特征，垂向刚度较普通船型低，某些船型的首尾线型变化相对剧烈，波浪载荷可能有其自身特点。在一些恶劣的海况下，受变化剧烈的波浪激励作用，还有可能发生波激振动以及砰击诱导的鞭击振动等。这些因素共同作用下，宽扁结构承受的应力范围及循环次数可能大幅增加，进而加剧结构疲劳损伤。本文以一宽扁型船为例，研究了对结构疲劳影响较大的中剖面垂向波浪弯矩（Vertical Bending Moment，以下简称VBM）特点，以及部分海况下由VBM造成的疲劳损伤，并对航速，高频振动等因素对宽扁型船的疲劳损伤影响进行了分析。本文的主要研究内容及结论有，
　　（1）基于三维势流理论计算了规则波浪作用下的不同航速对应的船中剖面VBM，获得了VBM频响函数；计算了多个随机海况下的宽扁型船的VBM时间历程。结果表明，宽扁型船航速效应明显，最大航速下的VBM可达零航速下的1.37倍；计及非线性因素后的VBM增幅约5％~10%。
　　（2）使用全船有限元模型计算结构干湿模态；基于三维水弹性理论，计算得到考虑结构弹性变形时的VBM频响函数，并将计算结果与三维势流理论计算结果以及波浪载荷分段模型试验结果进行了对比分析。结果表明，宽扁型船易于发生非线性波激振动和11，两种理论预报结果与试验差异明显。
　　（3）选择船中剖面典型节点1处，使用有限元法计算得到热点应力集中系数（Stress Concentration Factor，以下简称SCF）。根据仿真计算及试验获得的VBM时间历程，通过梁理论结合SCF，得到热点应力时间历程；基于线性累积损伤理论，根据雨流计数得到的应力谱，结合S-N曲线得到由VBM造成的每小时疲劳累积损伤，结果表明，航速增加使宽扁型船疲劳损伤显著增加，计及非线性，疲劳损伤增加10%~25%；高频振动使其疲劳损伤增加30倍以上。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 研究目的与意义

1.2 国内外研究现状分析

1.3 本文主要研究内容

1.4 研究对象简介

第2章 基于三维势流理论的宽扁型船VBM研究

2.1 三维势流理论简述

2.2 不规则波浪参数

2.3 基于三维势流理论的VBM计算

2.4 VBM频率响应函数

2.5 航速对VBM影响分析

2.6 随机海况计算结果

2.7 本章小结

第3章 考虑结构弹性振动的宽扁型船VBM研究

3.1 三维线性频域水弹性理论

3.2 基于三维水弹性理论的VBM计算

3.3 三维频域水弹性计算结果

3.4 分段模型波浪载荷试验简介

3.5 试验中的高频振动现象及特点探讨

3.6 势流、水弹性及试验结果对比分析

3.7 本章小结

第4章 基于累积损伤理论的宽扁型船疲劳损伤分析

4.1 疲劳累积损伤理论

4.2 典型节点SCF计算

4.3 短期海况下的疲劳累积损伤计算

4.4 短期海况下的疲劳累积损伤结果

4.5 影响宽扁型船疲劳损伤因素的讨论

4.6 疲劳累积损伤分析过程不确定性讨论

4.7 本章小结

第5章 总结与展望

5.1 总结

5.2 展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间取得的科研成果