CH3-1-20140307概率水平法

1、第三章第三章 計算載荷的確定計算載荷的確定、概述、概述、載荷響應(yīng)計算、載荷響應(yīng)計算、確定載荷的概率水平法、確定載荷的概率水平法 3.1 3.1 概概述述 1 1）設(shè)計載荷的重要性設(shè)計載荷的重要性 2 2）載荷的內(nèi)容）載荷的內(nèi)容 a a、靜水載荷：靜水彎矩、剪力、靜水載荷：靜水彎矩、剪力、靜水、靜水壓力壓力 b b、波浪載荷：波浪彎矩：垂向、水平；、波浪載荷：波浪彎矩：垂向、水平； 波浪波浪剪力：水平、垂向、扭矩；剪力：水平、垂向、扭矩； 動水壓力。動水壓力。 c c、貨載、貨載 d d、慣性載荷、慣性載荷: :貨物、貨物、自重自重 ( (運(yùn)動加運(yùn)動加速度引起）速度引起） e e、特殊載荷、特殊

2、載荷：砰擊：砰擊、沖擊、冰壓等。、沖擊、冰壓等。 要求要求：完備的計算載荷，規(guī)范上規(guī)定的載荷項(xiàng)目：完備的計算載荷，規(guī)范上規(guī)定的載荷項(xiàng)目都應(yīng)有體現(xiàn)，給都應(yīng)有體現(xiàn)，給出計算方法或解決方案。出計算方法或解決方案。3.2 3.2 載荷的響應(yīng)計算載荷的響應(yīng)計算 3.2.1 3.2.1 靜水靜水載荷載荷 由船的基本數(shù)據(jù)（型線、裝載工況、重量分布）按常由船的基本數(shù)據(jù)（型線、裝載工況、重量分布）按常規(guī)方法（靜力平衡）計算。規(guī)方法（靜力平衡）計算。 有關(guān)內(nèi)容見有關(guān)內(nèi)容見船體強(qiáng)度船體強(qiáng)度教材。教材。 計算手段：列表計算計算手段：列表計算 計算機(jī)程序（提高效率）計算機(jī)程序（提高效率） 3.2.2 3.2.2 波浪載

3、荷波浪載荷 由由理論理論方法（軟件）計方法（軟件）計算，或由模型試驗(yàn)得到。算，或由模型試驗(yàn)得到。1. 1. 方方法法 具具體見體見波浪載荷波浪載荷或或船體概率強(qiáng)度船體概率強(qiáng)度課程等課程等教材或文教材或文獻(xiàn)獻(xiàn)。 切切片法（二維方法）片法（二維方法） 三維三維方法方法理論理論 線性線性方法方法 非非線性線性方法方法 水池水池模型實(shí)驗(yàn)測試模型實(shí)驗(yàn)測試試驗(yàn)試驗(yàn) 大大尺度模尺度模型實(shí)際海型實(shí)際海浪測試?yán)藴y試 實(shí)實(shí)船測試船測試剛剛 體體 水彈性方法水彈性方法 2. 2. 規(guī)規(guī)則波中的載荷響應(yīng)則波中的載荷響應(yīng) 1) 1) 線線性性理論、頻理論、頻域域內(nèi)求內(nèi)求解解：波浪頻率波浪頻率e航速 （遭遇頻率（遭遇頻率

4、） 各載各載荷分量：荷分量：幅值幅值 a a 相相位位（相對于波浪（相對于波浪）0aVaM VVaSVTaM TH aM HH aSHapG aZGaG ayGaaG axGMSMM S ) (P, )(z , ) ( , ) (y , ) , ,(x ,（ ， ）（ ， ）（ ， ）（， ）（ ，（） （）垂向彎矩垂向彎矩垂向剪力垂向剪力扭矩扭矩水平彎矩水平彎矩水平剪力水平剪力壓力壓力（六自由度）運(yùn)動（六自由度）運(yùn)動各各載載荷分量荷分量 縱搖運(yùn)動曲線縱搖運(yùn)動曲線 (迎浪迎浪)垂向彎矩垂向彎矩My曲線曲線 （迎浪）（迎浪）垂向彎矩垂向彎矩My曲線曲線 （艏斜浪（艏斜浪3030o o）時歷表達(dá)式

5、：時歷表達(dá)式： ( )cos()VVaeMVMtMt()VM tt垂向彎矩垂向彎矩其它載荷分量的時歷，情況類似。其它載荷分量的時歷，情況類似。2) 2) 非非線性理論，時域或時歷解線性理論，時域或時歷解( )vM tt特點(diǎn)：非特點(diǎn)：非簡諧并有簡諧并有高頻成份高頻成份 3. 3. 不不規(guī)則波中的載荷規(guī)則波中的載荷 1) 1) 按按線性理論：譜分析法線性理論：譜分析法（應(yīng)用（應(yīng)用疊加原理）疊加原理） 2) 2) 非非線性理論：時域模擬線性理論：時域模擬 ( )VMtt譜分析法簡述：（可參考譜分析法簡述：（可參考船舶概率強(qiáng)度船舶概率強(qiáng)度）理論基理論基礎(chǔ)：礎(chǔ)：“隨機(jī)過隨機(jī)過程程理論理論”中的中的“線線

6、性系統(tǒng)性系統(tǒng)變換變換”， 參考參考隨機(jī)過程隨機(jī)過程中中“平平穩(wěn)正態(tài)隨機(jī)穩(wěn)正態(tài)隨機(jī)過程過程”。波浪波浪( ) t響應(yīng)響應(yīng)R(t)(運(yùn)動，彎矩，剪力等）運(yùn)動，彎矩，剪力等）輸入：海輸入：海浪波浪波面坐標(biāo)面坐標(biāo) t是平穩(wěn)正態(tài)隨機(jī)是平穩(wěn)正態(tài)隨機(jī)過程。過程。線性系統(tǒng)的線性系統(tǒng)的輸出輸出 也也是平穩(wěn)正態(tài)隨機(jī)是平穩(wěn)正態(tài)隨機(jī)過程。過程。 ( )R t各頻率各頻率子波的能子波的能量大小的分布量大小的分布輸入譜和輸出譜之間的關(guān)系：輸入譜和輸出譜之間的關(guān)系：2R()S= H( ) S ( ) ( )H ：傳遞函數(shù)或頻率響應(yīng)函數(shù)：傳遞函數(shù)或頻率響應(yīng)函數(shù)2( )H ：響應(yīng)幅值算子（：響應(yīng)幅值算子（RAO） aaR ()

7、H() ()= = =響響應(yīng)應(yīng)幅幅值值波波浪浪幅幅值值含義含義 ： （可理可理解為對應(yīng)單位波解為對應(yīng)單位波幅規(guī)則波的響應(yīng)幅規(guī)則波的響應(yīng) ）( )S( )RS海浪譜海浪譜計算手段（過程）：利計算手段（過程）：利用相關(guān)的用相關(guān)的計算軟件（程序）計算軟件（程序）: 切切片法、三維方法或片法、三維方法或其其他，他， 或通過試或通過試驗(yàn)測試。驗(yàn)測試。對各頻率波浪得對各頻率波浪得到各載到各載荷分量的響應(yīng)。荷分量的響應(yīng)。 響應(yīng)譜的統(tǒng)計特性響應(yīng)譜的統(tǒng)計特性:200220( )( )RxRmSdmSd 1/3HsHzT2454421 2( )()exp()4szzHSTT3.3 確確定計算載荷的概率水平法定計算

8、載荷的概率水平法3.3.1 載荷的短載荷的短期分布期分布 1. 海海況和海浪譜況和海浪譜 海浪海浪 不不規(guī)則波：規(guī)則波： 有義波高有義波高或或特特征周期（征周期（ ，平，平均跨零周均跨零周期）期）常用常用ISSC推薦的雙參數(shù)譜推薦的雙參數(shù)譜如果有航速如果有航速V，則要用遭遇頻率，則要用遭遇頻率e(1cos)eVg 航向角航向角 V 航速航速能量不變或能量相等能量不變或能量相等( )()eeSdSd則則 ( )()21coseSSVg( )S()eSee,szH T,V短期：短期：一定一定 航行時間：半小時到幾個小時。航行時間：半小時到幾個小時。 szHTV()eS V()eHeee2R()S=

9、 H() S ()由隨機(jī)過程理論：由隨機(jī)過程理論：響應(yīng)幅響應(yīng)幅x是隨機(jī)變量服從瑞利分布：是隨機(jī)變量服從瑞利分布：200( )exp()2xxf xmm可用于各載荷分量，其中可用于各載荷分量，其中0m為響應(yīng)譜的零階矩。為響應(yīng)譜的零階矩。不規(guī)則波中，載荷響應(yīng)不規(guī)則波中，載荷響應(yīng)R（t）是平穩(wěn)正態(tài)隨機(jī)過程。）是平穩(wěn)正態(tài)隨機(jī)過程。3.3.2 長期分布長期分布 在整個壽命內(nèi)會遭遇到不同的海況，航速和航向角，波浪載在整個壽命內(nèi)會遭遇到不同的海況，航速和航向角，波浪載荷的長期分布是各個短期分布的加權(quán)組合。荷的長期分布是各個短期分布的加權(quán)組合。( )(,)( )( )()( )iszjklijklg xp H

10、 TPP VP Df x,ijklP P P P 分別是：海況分別是：海況 (,)szH T、航向角、航向角 航航速速V，裝載，裝載D出現(xiàn)的概率。出現(xiàn)的概率。 ( )g x總載荷循環(huán)次數(shù)總載荷循環(huán)次數(shù)810LN （對應(yīng)（對應(yīng)25年的壽年的壽命期命期:CSR，以前為以前為20年）年）超越概率超越概率1()LLP RRN 含義：在全部含義：在全部NL次載荷循次載荷循環(huán)中環(huán)中(每個循環(huán)對每個循環(huán)對應(yīng)一應(yīng)一個幅值個幅值)，或或NL個個載荷幅值中，大于載荷幅值中，大于RL的載荷幅值僅可能出現(xiàn)一次。的載荷幅值僅可能出現(xiàn)一次。 類比類比X年一遇水位的說法，可以說年一遇水位的說法，可以說NL次循環(huán)一遇（次循環(huán)

11、一遇（NL代表時代表時間）。間）。 一一般將般將RL作為設(shè)計計作為設(shè)計計算載算載荷，通過這個過程確定的設(shè)計載荷，通過這個過程確定的設(shè)計載荷叫概率水平法。荷叫概率水平法。 在在規(guī)范中的應(yīng)用：對一規(guī)范中的應(yīng)用：對一批船進(jìn)行計算分批船進(jìn)行計算分析，然后對結(jié)析，然后對結(jié)果進(jìn)行回歸果進(jìn)行回歸，得到回歸公式，如，得到回歸公式，如垂向彎矩設(shè)計值。垂向彎矩設(shè)計值。232319010110(0.7) 10whbwsbMMC LBCN mMMC LB CN m 3.3.3 3.3.3 海海況資料的討論況資料的討論(,)iszP H T-海海況出現(xiàn)的概率況出現(xiàn)的概率1. 1. 北北大西洋海況分布表大西洋海況分布表（

12、IACS No.34)IACS No.34)、全球海況分布表全球海況分布表 按按GBSGBS要求，要求，CSRCSR規(guī)范采用北大西洋海況分布表。規(guī)范采用北大西洋海況分布表。 T TZ Z H HS S.1.51.52.52.5.2. 我我國沿海國沿海，西，西北太平洋海況（分區(qū)北太平洋海況（分區(qū)域）域） 特特別別:臺灣海峽海況（海浪譜）臺灣海峽海況（海浪譜）/zTs/sHm 中國沿海S3區(qū)塊海浪長期分布資料3.5456789total7.50000001016.00000132065.000017830194.00007191230413.250528351641892.50119584516301421.85450885014302091.2595972338101830.85156461245101700.50195642143101340.1012100004total