非线性波浪载荷对船体结构强度的影响研究

摘要

近年来，随着船舶工业自身发展以及全球经济背景下规模经济效应的刺激，船舶设计，尤其是货运船舶，正朝着更大、更快、更专业的方向发展。超大型船舶由于具有大尺度的特点，以及在结构设计时，为了减轻结构重量而往往大量使用高强度钢，致使船舶刚度低于传统船舶，船体梁固有频率相对减小；同时大型舰船、大型集装箱船等船型型线复杂，具有大外飘，砰击问题不可忽略。这些船舶在恶劣海浪环境中航行时，在非线性冲击载荷，如外飘砰击、底部砰击等作用下，更容易产生所谓颤振，会激起短暂而剧烈的总体振动，造成巨大的结构破坏，对船体梁极限承载能力提出更高的要求，同时会降低结构构件疲劳寿命。因此在对船体结构进行强度评估时，应在满足一定条件时计入船体梁振动的影响，并考虑砰击非线性载荷对疲劳损伤及极限强度校核的影响。本文建立了一种简化的考虑砰击非线性的波浪载荷计算方法，在此基础上研究了大型船舶的砰击非线性波浪载荷对结构疲劳损伤与极限强度校核的影响。主要工作内容如下：　　1）利用三维线性频域理论计算船舶运动和线性剖面载荷，将计算结果向时域转换，计入非线性砰击力、利用迁移矩阵法分析船体梁振动特征，建立船体非线性时域振动方程，求解非线性船体剖面载荷。　　2）利用计算点剖面模数作为转换因子，计算各海况、浪向、装载状态下非线性总弯矩应力响应和波浪弯矩波频分量产生的疲劳累积损伤，研究了非线性载荷对疲劳损伤的贡献度以及船体梁垂向波浪弯矩影响系数；　　3）利用非线性有限元方法计算了船体梁极限抗弯能力，对船体横剖面非线性弯矩进行短期与长期分析，研究极限强度校核衡准中的波浪载荷局部安全因子，总结现有的船体梁极限强度校核方法中砰击非线性弯矩的计入方式，比较其适用性。　　4）以某大型集装箱船为例，在计入非线性砰击振动的基础上，从载荷计算、到结构疲劳累计损伤分析、到船体梁极限强度校核建立了完整的程序与方法。

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第1章 绪论

1.1 课题研究背景和意义

1.2 课题国内外研究现状

1.3 课题的主要研究工作

第2章 简化的砰击非线性波浪载荷时域计算方法

2.1 概述

2.2 利用三维线性频域方法计算船体运动与线性波浪载荷

2.3 简化的砰击非线性波浪载荷时域计算方法

2.4 计算方法精度验证

2.5 本章小结

第3章 非线性载荷对结构疲劳损伤的影响

3.1 概 述

3.2 疲劳分析的基本要素

3.3 非线性载荷对疲劳损伤的贡献度计算

3.4 砰击振动对垂向弯矩的影响系数

3.5 名义应力法计算疲劳寿命

3.6 本章小结

第4章 非线性载荷对船体梁极限强度校核的影响

4.1 概述

4.2 计及非线性成分的船舯垂向弯矩统计分析

4.3 基于非线性有限元的船体抗弯能力计算

4.4 非线性载荷对船体梁极限强度校核的影响

4.5 本章小结

第5章 实船分析

5.1 概述

5.2 例船概况与波浪载荷计算

5.3 非线性效应对疲劳累积损伤的影响

5.4 疲劳强度校核

5.5 船舯垂向弯矩短期与长期统计结果

5.6 非线性载荷对船体梁极限强度校核的影响

5.7 结论

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