CH3-2-20140312設(shè)計波法

1、3.4 設(shè)計波法（或動態(tài)載荷法設(shè)計波法（或動態(tài)載荷法DLA） Dynamic Load Approach3.4.1 概述概述 1. 概率水平法，可回歸出簡化公式，便于規(guī)范中使用，概率水平法，可回歸出簡化公式，便于規(guī)范中使用，亦可用于直接計算。亦可用于直接計算。 缺點：缺點： 1）載荷分量組合問題？）載荷分量組合問題？ 從概率水平法可知，是對幅值進行預(yù)報。從概率水平法可知，是對幅值進行預(yù)報。 各載荷分量的信息被掩蓋了（舉例）。各載荷分量的信息被掩蓋了（舉例）。 2）局部載荷細節(jié)（比如壓力），沒有描述。）局部載荷細節(jié)（比如壓力），沒有描述。 2動態(tài)載荷法（設(shè)計波法）思想：動態(tài)載荷法（設(shè)計波法）思想

2、： 考慮船舶實際航行狀態(tài)（工況）下載荷的瞬時狀態(tài)，考慮船舶實際航行狀態(tài)（工況）下載荷的瞬時狀態(tài)，選擇若干嚴重的工作狀態(tài)，計算結(jié)構(gòu)的應(yīng)力。選擇若干嚴重的工作狀態(tài)，計算結(jié)構(gòu)的應(yīng)力。 可以總結(jié)船體可能處于各種狀態(tài)中可以總結(jié)船體可能處于各種狀態(tài)中,選取若干嚴重的狀選取若干嚴重的狀態(tài)。態(tài)。3. 典型狀態(tài)典型狀態(tài) 迎浪迎浪 ： 中垂中垂 靜置法、動置法靜置法、動置法 中拱中拱 垂向彎矩、剪力、水壓力、貨載垂向彎矩、剪力、水壓力、貨載 斜浪：斜浪：扭矩、水平彎矩、橫搖慣性力扭矩、水平彎矩、橫搖慣性力垂向彎矩、剪力、水壓力、貨載垂向彎矩、剪力、水壓力、貨載波浪中船體運動的定義波浪中船體運動的定義剪力剪力 Qs

3、w, Qwv 和彎矩和彎矩Msw, Mwv, Mwh 和和 Mwt的符號規(guī)定的符號規(guī)定主要載荷參數(shù)：主要載荷參數(shù)： 在各狀態(tài)中，總有一些載荷比較重要，一些相對次要。在各狀態(tài)中，總有一些載荷比較重要，一些相對次要。 不同狀態(tài)、不同載荷、船體構(gòu)件受力不同。不同狀態(tài)、不同載荷、船體構(gòu)件受力不同。 垂向彎矩垂向彎矩縱桁、縱骨、縱桁、縱骨、 甲板、船底、甲板開口圍板甲板、船底、甲板開口圍板 扭矩扭矩橫艙壁、甲板開口橫艙壁、甲板開口 水平彎矩、扭矩、垂向剪力水平彎矩、扭矩、垂向剪力舷側(cè)外板舷側(cè)外板 水平彎矩水平彎矩舷側(cè)縱桁舷側(cè)縱桁 目標：選一些典型狀態(tài)，能夠分別考核不同構(gòu)件的強度。目標：選一些典型狀態(tài)，能

4、夠分別考核不同構(gòu)件的強度。 主要載荷參數(shù)：主要載荷參數(shù)： 、 、 、 、 、P 或或 a等等VMVSHMHSTM3.4.2 設(shè)計波的確定設(shè)計波的確定 內(nèi)容：波長（頻率）內(nèi)容：波長（頻率） 波幅波幅 相位相位 浪向浪向 狀態(tài)時刻狀態(tài)時刻 1）波浪頻率）波浪頻率 a）利用波浪載荷計算程序，計算各浪向（）利用波浪載荷計算程序，計算各浪向（0、30、60 或（或（ 0、15、30、45 各頻率（各頻率（0.2、0.25、0.301.8r/s）,或或=0.4L 2.5L 單位波幅規(guī)則波中的各載荷分量的頻率響應(yīng)。單位波幅規(guī)則波中的各載荷分量的頻率響應(yīng)。ta () 22g = b) 設(shè)計波的浪向設(shè)計波的浪向

5、和波浪圓頻率和波浪圓頻率 一般，對某一工況，對主要控制載荷參數(shù)對應(yīng)的波浪頻一般，對某一工況，對主要控制載荷參數(shù)對應(yīng)的波浪頻率，在浪向和頻率范圍內(nèi)搜索，其中幅頻響應(yīng)最大值對率，在浪向和頻率范圍內(nèi)搜索，其中幅頻響應(yīng)最大值對應(yīng)的波向和頻率，即為設(shè)計波的波向和頻率。應(yīng)的波向和頻率，即為設(shè)計波的波向和頻率。 特殊考慮（指定波向，或?qū)ΣㄩL范圍的限定）特殊考慮（指定波向，或?qū)ΣㄩL范圍的限定） Load p 2）設(shè)計波的波幅）設(shè)計波的波幅 設(shè)計值設(shè)計值概率水平法，與規(guī)范要求對應(yīng)，或特別考慮。概率水平法，與規(guī)范要求對應(yīng)，或特別考慮。 3）設(shè)計波相位和波峰位置）設(shè)計波相位和波峰位置 設(shè)計波波峰在縱向上與船重心位置

6、之間的距離設(shè)計波波峰在縱向上與船重心位置之間的距離 波長，波長， 相位，相位， 浪向角浪向角a主主要要載載荷荷參參數(shù)數(shù)的的設(shè)設(shè)計計值值 對對應(yīng)應(yīng)載載荷荷參參數(shù)數(shù)的的幅幅頻頻響響應(yīng)應(yīng)最最大大值值 x =-2cost中拱中拱中垂中垂 4) 計算瞬時與載荷組合計算瞬時與載荷組合 5）概率水平法與設(shè)計波法的關(guān)系）概率水平法與設(shè)計波法的關(guān)系 概率水平法的對應(yīng)，在波幅的確定上反映概率水平法的對應(yīng)，在波幅的確定上反映 設(shè)計波法，便于考慮非線性（砰擊載荷的影響）設(shè)計波法，便于考慮非線性（砰擊載荷的影響）主控參數(shù)主控參數(shù)其它載荷其它載荷壓力壓力 運動參數(shù)運動參數(shù)中垂中垂中拱中拱i iR (t)R (t)tttt

7、tttttttttt3.4.3 設(shè)計波法的一些應(yīng)用設(shè)計波法的一些應(yīng)用 1. 軍規(guī)中的搜素法軍規(guī)中的搜素法 波長波長 波幅的關(guān)系式波幅的關(guān)系式 迎浪狀態(tài)，變化波長，取一系列規(guī)則波作為計算波浪。迎浪狀態(tài)，變化波長，取一系列規(guī)則波作為計算波浪。 載荷的非線性響應(yīng)（含砰擊效應(yīng)）載荷的非線性響應(yīng)（含砰擊效應(yīng)） 2. 設(shè)計波法（動態(tài)載荷法）在共同規(guī)范中的應(yīng)用設(shè)計波法（動態(tài)載荷法）在共同規(guī)范中的應(yīng)用 1）HCSR等效設(shè)計波法概述等效設(shè)計波法概述 主要：主要：a）迎浪中拱）迎浪中拱/中垂彎矩（舯部）中垂彎矩（舯部） b) 迎浪中部貨艙前壁處最大迎浪中部貨艙前壁處最大/最?。ㄖ泄白钚。ㄖ泄?中垂）剪力中垂）剪力

8、 橫浪：艙內(nèi)最大垂向加速度（橫浪）橫浪：艙內(nèi)最大垂向加速度（橫浪） 斜浪：舯橫剖面處最大斜浪：舯橫剖面處最大/最小水平彎矩（中拱）最小水平彎矩（中拱） b概率水平概率水平 （25年壽命期）年壽命期） c載荷組合系數(shù)載荷組合系數(shù)- -8 81 10 0i主主要要載載荷荷參參數(shù)數(shù)瞬瞬時時最最大大值值（某某工工況況）C CF F = =該該參參數(shù)數(shù)長長期期值值（設(shè)設(shè)計計值值） 主要載荷系數(shù)主要載荷系數(shù) 其它載荷分量的載荷組合系數(shù)其它載荷分量的載荷組合系數(shù)(因數(shù)因數(shù))jaiijRAOcos( ) LCF載載荷荷分分數(shù)數(shù) j j 的的瞬瞬時時值值該該參參數(shù)數(shù)的的長長期期值值該該參參數(shù)數(shù)的的長長期期值值

9、： ai主主要要載載荷荷參參數(shù)數(shù)i i對對應(yīng)應(yīng)設(shè)設(shè)計計波波波波幅幅jRAOj ： 載載荷荷分分量量 的的響響應(yīng)應(yīng)幅幅值值算算子子2 2）動態(tài)載荷狀態(tài)）動態(tài)載荷狀態(tài) HSM迎浪時船中部垂向波浪彎矩達到最小或最大值時的等效設(shè)計波迎浪時船中部垂向波浪彎矩達到最小或最大值時的等效設(shè)計波HSA迎浪時船首垂線處的垂向加速度達到最小或最大值時的等效設(shè)計波迎浪時船首垂線處的垂向加速度達到最小或最大值時的等效設(shè)計波FSM隨浪時船中部的垂向波浪彎矩達到最小或最大值時的等效設(shè)計波隨浪時船中部的垂向波浪彎矩達到最小或最大值時的等效設(shè)計波BSR橫浪時船橫搖運動達到最小或最大值時的等效設(shè)計波橫浪時船橫搖運動達到最小或最大

10、值時的等效設(shè)計波BSP橫浪時船中水線處水動壓力達到最小或最大時的等效設(shè)計波橫浪時船中水線處水動壓力達到最小或最大時的等效設(shè)計波OST斜浪時船在斜浪時船在0.25L處的扭矩達到最小或最大時的等效設(shè)計波處的扭矩達到最小或最大時的等效設(shè)計波OSA斜浪時船縱搖加速度達到最小或最大值時的等效設(shè)計波斜浪時船縱搖加速度達到最小或最大值時的等效設(shè)計波3 3）船舶運動和加速度（設(shè)計值）船舶運動和加速度（設(shè)計值）船舶運動船舶運動橫搖橫搖縱搖縱搖gGMkTr3 . 29000 1.250.02575pBKTf fBgT22 . 194. 057. 20 . 11350gLLfp船舶重心處加船舶重心處加速度速度縱蕩縱

11、蕩縱搖縱搖橫搖橫搖垂蕩垂蕩橫蕩橫蕩00.2surgepaf a ggafapsway03 . 0gafapheave022180Tfaproll221800 . 11 . 3TgLfappitch4 4）船體梁載荷）船體梁載荷垂向靜水彎矩垂向靜水彎矩船體梁載荷船體梁載荷垂向靜水剪力垂向靜水剪力垂向波浪彎矩垂向波浪彎矩垂向波浪彎矩垂向波浪彎矩水平波浪彎矩水平波浪彎矩波浪扭矩波浪扭矩垂向靜水彎矩垂向靜水彎矩 垂向靜水剪力垂向靜水剪力 船體梁波浪載荷（設(shè)計值）船體梁波浪載荷（設(shè)計值） 載荷工況下的船體梁動載荷計算載荷工況下的船體梁動載荷計算 5 5）外部水動壓力載荷）外部水動壓力載荷外部載荷外部載荷

12、舷外水壓力舷外水壓力露天甲板的外部露天甲板的外部壓力壓力海水靜壓力海水靜壓力海水動壓力海水動壓力上浪載荷上浪載荷承載載荷承載載荷船首區(qū)域外部砰船首區(qū)域外部砰擊壓力擊壓力船底砰擊壓力船底砰擊壓力船首沖擊壓力船首沖擊壓力艙口蓋的外部壓艙口蓋的外部壓力力 船底砰擊壓力：船底砰擊壓力： 船首沖擊壓力：船首沖擊壓力：wlimFBFBFBVcfpsin025. 126 6）內(nèi)部載荷）內(nèi)部載荷內(nèi)部載荷內(nèi)部載荷液體引起的載荷液體引起的載荷干散貨引起的載荷干散貨引起的載荷靜壓力靜壓力動壓力動壓力由分布力引起的載荷由分布力引起的載荷單位載荷引起的集中力單位載荷引起的集中力遮蔽甲板和平臺上的遮蔽甲板和平臺上的載荷載

13、荷貨艙中的晃蕩壓力貨艙中的晃蕩壓力進水情況進水情況靜壓力靜壓力動壓力動壓力進水情況進水情況最小晃蕩壓力最小晃蕩壓力液體縱向運動產(chǎn)生的晃蕩壓力液體縱向運動產(chǎn)生的晃蕩壓力液體橫向運動產(chǎn)生的晃蕩壓力液體橫向運動產(chǎn)生的晃蕩壓力 7）規(guī)范化動態(tài)載荷組合參數(shù)，見附錄）規(guī)范化動態(tài)載荷組合參數(shù)，見附錄主控參數(shù)主控參數(shù)其它載荷其它載荷壓力壓力 運動參數(shù)運動參數(shù)3. 海洋平臺波浪載荷的設(shè)計波法海洋平臺波浪載荷的設(shè)計波法 確定作用于平臺浮體上的波浪載荷的設(shè)計波法：確定作用于平臺浮體上的波浪載荷的設(shè)計波法： 一般以一般以100年一遇的最大規(guī)則波作為設(shè)計波，然后年一遇的最大規(guī)則波作為設(shè)計波，然后計算作用在平臺上的使用載

14、荷和環(huán)境載荷以及在這些計算作用在平臺上的使用載荷和環(huán)境載荷以及在這些載荷作用下的構(gòu)件應(yīng)力，并根據(jù)規(guī)范的強度衡準來校載荷作用下的構(gòu)件應(yīng)力，并根據(jù)規(guī)范的強度衡準來校核平臺的結(jié)構(gòu)安全性。核平臺的結(jié)構(gòu)安全性。設(shè)計波參數(shù)的確定方法設(shè)計波參數(shù)的確定方法1 1）確定性方法（）確定性方法（Deterministic MethodDeterministic Method） 以業(yè)主指定的最大規(guī)則波波陡為基礎(chǔ)來確定設(shè)計規(guī)以業(yè)主指定的最大規(guī)則波波陡為基礎(chǔ)來確定設(shè)計規(guī) 則波波高。則波波高。2 2）隨機性方法（）隨機性方法（Stochastic MethodStochastic Method） 它是建立在海況統(tǒng)計特征上的

15、，考慮了實際海面的它是建立在海況統(tǒng)計特征上的，考慮了實際海面的隨機性和不規(guī)則性隨機性和不規(guī)則性, ,用于分析不規(guī)則海浪對平臺的作用。用于分析不規(guī)則海浪對平臺的作用。一、確定性方法選擇設(shè)計規(guī)則波波浪參數(shù)一、確定性方法選擇設(shè)計規(guī)則波波浪參數(shù) 通過平臺某些特征響應(yīng)量確定：通過平臺某些特征響應(yīng)量確定： 1) 浮筒間的分離力浮筒間的分離力 FS 2) 關(guān)于橫軸的扭矩關(guān)于橫軸的扭矩 MT 3) 浮筒間的縱向剪切力浮筒間的縱向剪切力 FL 4) 浮筒上的垂向波浪彎矩浮筒上的垂向波浪彎矩 MV 5) 甲板的縱向加速度甲板的縱向加速度 aL 6) 甲板的橫向加速度甲板的橫向加速度 aT 7) 甲板的垂向加速度甲

16、板的垂向加速度 aV 對應(yīng)每個特征響應(yīng)量，用以下方法確定對應(yīng)每個特征響應(yīng)量，用以下方法確定設(shè)計波的波浪參數(shù)設(shè)計波的波浪參數(shù)1、基于平臺尺度特征確定危險浪向和危險波長、基于平臺尺度特征確定危險浪向和危險波長Lc（近似周期（近似周期Tc）2、計算響應(yīng)幅值算子、計算響應(yīng)幅值算子RAOs（單位波幅）（單位波幅）3、根據(jù)業(yè)主選擇的設(shè)計波環(huán)境和規(guī)則波波陡計算式確定、根據(jù)業(yè)主選擇的設(shè)計波環(huán)境和規(guī)則波波陡計算式確定“極限極限規(guī)則波波高規(guī)則波波高”4、RAOs與相對應(yīng)的與相對應(yīng)的“極限規(guī)則波高極限規(guī)則波高”相乘得到響應(yīng)載荷相乘得到響應(yīng)載荷5、步驟、步驟4計算得到的最大響應(yīng)載荷所對應(yīng)的波高和周期就是強度計算得到的

17、最大響應(yīng)載荷所對應(yīng)的波高和周期就是強度設(shè)計評估所需的規(guī)則波波浪參數(shù)。設(shè)計評估所需的規(guī)則波波浪參數(shù)。 （S為波陡）為波陡）確定性方法選擇設(shè)計波的流程圖確定性方法選擇設(shè)計波的流程圖浪向說明：浪向說明：X軸正向為軸正向為0浮筒間的分離力浮筒間的分離力 F FS S 橫浪（浪向角橫浪（浪向角=90=90）、波長約等于浮筒外側(cè)寬度的）、波長約等于浮筒外側(cè)寬度的兩倍，波峰位于中線，縱向浮筒間的分離力達到最大值兩倍，波峰位于中線，縱向浮筒間的分離力達到最大值。 由圖示可以看出，橫浪情況下分離力響應(yīng)最大。并且隨由圖示可以看出，橫浪情況下分離力響應(yīng)最大。并且隨著浪向與平臺縱軸的夾角的減小分離力明顯減小。著浪向與

18、平臺縱軸的夾角的減小分離力明顯減小。 關(guān)于橫軸的關(guān)于橫軸的扭矩扭矩 M MT T 斜浪（浪向角斜浪（浪向角=30=306060, , 指浪向與平臺縱軸的指浪向與平臺縱軸的交角交角），波長約等于浮筒兩端對角線長，波谷位于對角），波長約等于浮筒兩端對角線長，波谷位于對角線中心時扭矩將達到最大值。線中心時扭矩將達到最大值。 從圖示可以看出，關(guān)于橫軸的扭轉(zhuǎn)力矩對浪向不敏感，除迎浪和橫浪從圖示可以看出，關(guān)于橫軸的扭轉(zhuǎn)力矩對浪向不敏感，除迎浪和橫浪 外其余浪向都比較接近。但在浪向角為外其余浪向都比較接近。但在浪向角為135和和120附近達到最大值。附近達到最大值。浮筒間的縱向浮筒間的縱向剪切力剪切力 F

19、FL L 斜浪（浪向角斜浪（浪向角=30=306060 ），波長約等于浮筒兩），波長約等于浮筒兩端對角線長的端對角線長的1.51.5倍，波谷位于對角線時浮筒間的縱向剪倍，波谷位于對角線時浮筒間的縱向剪切力達到最大值。切力達到最大值。 從上圖可以看到，斜浪狀態(tài)下每條曲線都出現(xiàn)從上圖可以看到，斜浪狀態(tài)下每條曲線都出現(xiàn)2個峰個峰值，而且前后兩個峰值按照浪向角呈反對稱分布。值，而且前后兩個峰值按照浪向角呈反對稱分布。浮筒上的垂向波浪彎矩浮筒上的垂向波浪彎矩 M MV V 迎浪或隨浪（浪向角迎浪或隨浪（浪向角=0=0或或 =180=180 ），波長），波長約等于浮筒長度，波峰位于船中或波谷位于船中呈對稱

20、約等于浮筒長度，波峰位于船中或波谷位于船中呈對稱分布的情況下，浮筒上將會產(chǎn)生最大的垂向波浪彎矩。分布的情況下，浮筒上將會產(chǎn)生最大的垂向波浪彎矩。 從上圖可以看到，響應(yīng)曲線有兩個波峰，后一個由于從上圖可以看到，響應(yīng)曲線有兩個波峰，后一個由于波長增大響應(yīng)出現(xiàn)增大的波動。波長增大響應(yīng)出現(xiàn)增大的波動。由于平臺下浮體與船體結(jié)構(gòu)相似，因此當由于平臺下浮體與船體結(jié)構(gòu)相似，因此當/L1時，垂向波浪彎矩時，垂向波浪彎矩（中拱或中垂）響應(yīng)達到最大值。此后當波長繼續(xù)增加時，波高繼（中拱或中垂）響應(yīng)達到最大值。此后當波長繼續(xù)增加時，波高繼續(xù)增加，響應(yīng)也逐漸增加產(chǎn)生第二個小波峰。續(xù)增加，響應(yīng)也逐漸增加產(chǎn)生第二個小波峰。

21、橫軸改為波長與浮筒長度的比值/L二、二、隨機性方法確定設(shè)計波波浪參數(shù)隨機性方法確定設(shè)計波波浪參數(shù) 1）概）概 述述 當波浪環(huán)境以譜的形式（不規(guī)則波）描述時，一般采當波浪環(huán)境以譜的形式（不規(guī)則波）描述時，一般采用隨機性方法來確定設(shè)計規(guī)則波的幅值和周期，它是以短用隨機性方法來確定設(shè)計規(guī)則波的幅值和周期，它是以短期預(yù)報，即每個載荷特征的短期響應(yīng)最大值為基礎(chǔ)的。期預(yù)報，即每個載荷特征的短期響應(yīng)最大值為基礎(chǔ)的。 采用該方法時，對于一定范圍的不規(guī)則波周期，需考采用該方法時，對于一定范圍的不規(guī)則波周期，需考慮業(yè)主選擇的波浪所對應(yīng)的極限平均波陡（為了確定設(shè)計有慮業(yè)主選擇的波浪所對應(yīng)的極限平均波陡（為了確定設(shè)計

22、有義波高），它通過有義波高和平均跨零周期來定義。義波高），它通過有義波高和平均跨零周期來定義。 假設(shè)浮體對波浪作用的響應(yīng)是線性關(guān)系，在得到各子規(guī)則假設(shè)浮體對波浪作用的響應(yīng)是線性關(guān)系，在得到各子規(guī)則波中的幅頻響應(yīng)后，采用譜分析方法可得到不規(guī)則波中浮體波中的幅頻響應(yīng)后，采用譜分析方法可得到不規(guī)則波中浮體運動或波浪載荷的響應(yīng)譜運動或波浪載荷的響應(yīng)譜浮體運動與波浪載荷幅值的短期響應(yīng)服從浮體運動與波浪載荷幅值的短期響應(yīng)服從Rayleigh分布。該分分布。該分布的唯一參數(shù)布的唯一參數(shù)由響應(yīng)譜由響應(yīng)譜 得到，即：得到，即：進而進而可得到船舶運動與波浪載荷短期預(yù)報的各種統(tǒng)計值，包括可得到船舶運動與波浪載荷短期

23、預(yù)報的各種統(tǒng)計值，包括均值和有義值等。其中，均值均值和有義值等。其中，均值 為為2）短期預(yù)報）短期預(yù)報有義值有義值 為為此外，可進一步求得短期響應(yīng)的最大值此外，可進一步求得短期響應(yīng)的最大值 ，短期響應(yīng)最大值與有義，短期響應(yīng)最大值與有義值的關(guān)系為：值的關(guān)系為： 式中式中 n 為該響應(yīng)量的短期循環(huán)次數(shù)。目前為該響應(yīng)量的短期循環(huán)次數(shù)。目前3小時極值在海洋工程中小時極值在海洋工程中應(yīng)用的較多，其表達式為：應(yīng)用的較多，其表達式為：代入代入 和和 到到 ，得到短期響應(yīng)最大值為，得到短期響應(yīng)最大值為 3）對應(yīng)每個特征響應(yīng)量，用以下方法確定）對應(yīng)每個特征響應(yīng)量，用以下方法確定設(shè)計波的波浪參數(shù)設(shè)計波的波浪參數(shù)1

24、、基于平臺尺度特征和整體水動力載荷特征響應(yīng)量確定危險浪向和危險、基于平臺尺度特征和整體水動力載荷特征響應(yīng)量確定危險浪向和危險波長波長Lc（或近似危險周期（或近似危險周期Tc）2、計算響應(yīng)幅值算子、計算響應(yīng)幅值算子RAOs（單位波幅），波浪周期范圍約（單位波幅），波浪周期范圍約325S，并，并確定危險周期（確定危險周期（Tc）3、對于平均跨零周期（、對于平均跨零周期（Tz，318S，間隔，間隔1S）和基于業(yè)主指定的極限）和基于業(yè)主指定的極限波陡計算設(shè)計有義波高（波陡計算設(shè)計有義波高（Hs）4、基于步驟、基于步驟3確定的確定的Tz和和Hs，選擇合適的海浪譜，選擇合適的海浪譜(如如JONSWAP譜、譜、P-M譜等譜等)計算波能譜密度計算波能譜密度Sw(