船舶畢業(yè)設(shè)計外文翻譯一種評估集裝箱船結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度的實用方法其他專業(yè)

1、中文5600字一種評估集裝箱船結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度的實用方法K. Iijima, T. Shigemi, R. Miyake_, A. Kumano 日本海事協(xié)會研究所NK摘 要集裝箱船結(jié)構(gòu)的特點是艙口開口大。由于這種結(jié)構(gòu)特性，波中復(fù)雜的扭力矩影響會引起艙口開口的巨大角變形和翹曲壓力。這就需要在集裝箱船的結(jié)構(gòu)設(shè)計階段評估船體梁的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度。本文在最新分析結(jié)果的根底上討論了一種評估集裝箱船結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度的實用方法。為了盡可能準(zhǔn)確估計扭響應(yīng)特性，采用在油輪試驗中已得到確認(rèn)的三維蘭金源法估計集裝箱船的波載荷，并以此用有限元法分析整船模型。另外，指定集裝箱船扭轉(zhuǎn)反響到達(dá)最大時的主導(dǎo)規(guī)那么波條件。扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度評估設(shè)計使

2、用荷載，其產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)反響等于長期預(yù)測值，并以指定主導(dǎo)波條件下的幾個集裝箱船的扭力矩為根底檢測設(shè)計荷載。同時討論了用于估計總船體梁應(yīng)力的一個適當(dāng)?shù)膽?yīng)力分量組合。【關(guān)鍵詞】：集裝箱船 扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度 蘭金源法 水池試驗 設(shè)計荷載 組合應(yīng)力1. 緒論受經(jīng)濟(jì)規(guī)模影響，集裝箱船的體積正在加大。最近幾年集裝箱船的開展似乎在加速。10年前裝載容量最大的5500標(biāo)箱級集裝箱船已多少成為目前的標(biāo)準(zhǔn)?，F(xiàn)今，最大的超巴拿馬型集裝箱船擁有超過8000標(biāo)箱的容量，甚至12500標(biāo)箱級集裝箱船的根底研究設(shè)計已經(jīng)開始。1Payer2討論了集裝箱船在技術(shù)和經(jīng)濟(jì)方面的開展和轉(zhuǎn)變。論及集裝箱船的頂級技術(shù)難題莫過于船體梁的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度，即指

3、，以大艙口開口為特點的集裝箱船在波中會受到相當(dāng)大的扭轉(zhuǎn)變形和翹曲壓力。在這方面，Sun and Soares3開創(chuàng)性的研究了帶有大艙口開口的船體承受扭力矩的極限強(qiáng)度。翹曲應(yīng)力分量應(yīng)與其他應(yīng)力分量例如縱向彎曲應(yīng)力和橫向彎曲應(yīng)力一起納入船體強(qiáng)度評估的考慮范圍。扭轉(zhuǎn)變形可能在艙口角引起集中壓力，因此艙口角的設(shè)計應(yīng)考慮到疲勞強(qiáng)度。眾多關(guān)于集裝箱船結(jié)構(gòu)的研究從構(gòu)造和流體力學(xué)兩個方面分析了扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度，例如，410，Shimizu 5,8用一個梁變截面模擬集裝箱船的結(jié)構(gòu)，進(jìn)行了流體力學(xué)和構(gòu)造分析。Nakata 6 and Umezaki 7分別開發(fā)了一個總系統(tǒng)，在該系統(tǒng)中船舶運動分析和結(jié)構(gòu)分析與統(tǒng)計分析相結(jié)合

4、。扭轉(zhuǎn)變形受到扭力矩分布和船舶結(jié)構(gòu)剛性參數(shù)分布的影響，而縱向或橫向彎曲應(yīng)力只決定于影響該局部剖面模數(shù)的相關(guān)位置的彎力矩振幅。接著分析扭轉(zhuǎn)響應(yīng)時需要總船模型。再者，扭力矩分析的準(zhǔn)確性不僅與規(guī)模有關(guān)也與分布有關(guān)。正如縱向彎曲應(yīng)力在不同階段具有差異，橫向彎曲應(yīng)力和翹曲應(yīng)力也對總船體梁應(yīng)力的估計有重大影響。同時還要求分析復(fù)雜的波浪荷載。因此，數(shù)值波浪荷載分析和有限元分析已被用于開發(fā)新的集裝箱船以及創(chuàng)新設(shè)計的集裝箱船。從這個意義上說，集裝箱船結(jié)構(gòu)的開展主要依賴于這些數(shù)值分析。另一方面，不能否認(rèn)的是，船級社為船體梁結(jié)構(gòu)強(qiáng)度評估制定的設(shè)計荷載已成為集裝箱船設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)荷載，應(yīng)用方便。這就是說扭轉(zhuǎn)響應(yīng)估計的準(zhǔn)確

5、性、最后的結(jié)構(gòu)標(biāo)注以及船體的平安性，很大程度上都取決于設(shè)計荷載的精確性。因此，需要開展用于評估扭轉(zhuǎn)變形的設(shè)計荷載，以反映最新數(shù)值分析得到的準(zhǔn)確結(jié)果。利用這個設(shè)計荷載在不進(jìn)行復(fù)雜的波浪荷載分析時就能得到更準(zhǔn)確的集裝箱船體扭曲強(qiáng)度評價，并推進(jìn)船舶的結(jié)構(gòu)平安。為了使設(shè)計荷載數(shù)據(jù)可靠，讓船舶設(shè)計師信服，其設(shè)計過程就應(yīng)該透明和合理。在一份合著11中提出，已經(jīng)成功開發(fā)了針對油輪和貨輪主要結(jié)構(gòu)構(gòu)件的設(shè)計荷載估算方法，這些船舶運營商都有透明和一致的背景。相關(guān)資料討論了設(shè)計海況、設(shè)計波和設(shè)計荷載之間的關(guān)系，最后結(jié)果說明以下方法得到的設(shè)計荷載可使所得響應(yīng)可能等同于長期預(yù)測響應(yīng)值。目前，我們的目標(biāo)是得到一個切實可行

6、的方法，就是在盡可能準(zhǔn)確分析得到的結(jié)果的根底上評估透明和一致背景下的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度。主要討論了評估集裝箱船船體梁扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度所需的設(shè)計荷載和最正確應(yīng)力分量組合。研究步驟如下：建立波荷載估算方法：盡管有幾例實驗研究了集裝箱船的扭力矩，但似乎無一針對超巴拿馬型集裝箱船。水池試驗中第一次得到驗證的數(shù)值分析法在一份合著中有了開展。精確結(jié)構(gòu)分析：第一個計算波浪中集裝箱船的扭力矩，然后將荷載直接應(yīng)用于整船的有限元模型。確定翹曲壓力和相對變形的響應(yīng)函數(shù)，同時確定短期和長期超越概率Q=10-8預(yù)測值。提出和校正設(shè)計荷載：參照響應(yīng)函數(shù)指定主導(dǎo)規(guī)那么波條件下集裝箱船的最大扭轉(zhuǎn)變形。計算10艘不同大小的集裝箱船在主導(dǎo)波條件下

7、的扭力矩，以該結(jié)果為依據(jù)制定設(shè)計荷載，并將其所得響應(yīng)與步驟中得到的長期預(yù)測值進(jìn)行比擬。提出和校正應(yīng)力分量組合：步驟后計算縱向應(yīng)力分量、橫向應(yīng)力分量和總船梁應(yīng)力的響應(yīng)函數(shù)，嚴(yán)格審查不同階段的應(yīng)力分量。參照響應(yīng)函數(shù)之間的關(guān)系提出最正確應(yīng)力分量組合，依此得到總船梁壓力。將所得總船梁壓力與長期預(yù)測值進(jìn)行比擬，并嚴(yán)格審查不同階段的應(yīng)力分量。基于上述提出評估扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度的實用方法。2. 波荷載估算2.1 各種數(shù)值分析方法的優(yōu)缺點多種帶狀法12,13已被開發(fā)和運用于估算波浪引起的船舶運動和包括縱向彎曲力矩和橫向彎曲力矩在內(nèi)的波荷載，該法有足夠的準(zhǔn)確度，實際應(yīng)用性強(qiáng)。帶狀法作為一個標(biāo)準(zhǔn)工具被廣泛應(yīng)用于估算非線性荷

8、載和運動14，現(xiàn)在有時也估算船體結(jié)構(gòu)的彈性15-17。但是，因為它們沒有準(zhǔn)確考慮縱向帶之間反射波的水動力干擾效應(yīng)和立體效應(yīng)，在短波估算時其準(zhǔn)確性值得疑心。為了提高估算的準(zhǔn)確性，尤其在短波條件下的準(zhǔn)確性，已經(jīng)提出許過考慮三維效應(yīng)的數(shù)值分析方法。其中包括基于三維勢流理論提出的三維Green函數(shù)法18和蘭金源法19-21。這些方法的優(yōu)勢在于考慮三維效應(yīng)，有良好的計算穩(wěn)定性和適中的計算時間。因此，它們有望作為方便的設(shè)計工具而取代帶狀法。盡管大局部三維法最初是為了頻域仿真，但它們很快開展為分析方法，與同時提升的計算機(jī)能力一起為時域仿真22-23效力。這促進(jìn)了非線性效應(yīng)在時域仿真上的應(yīng)用，同時出現(xiàn)的還有波

9、浪振幅限度以及可能對設(shè)計荷載估算有重大影響的船舶運動。這些方法的缺點之一是仍然需要消耗大量的計算時間。一份合著顯示，計算流體力學(xué)CFD可更準(zhǔn)確的估算涉及波浪限度和運動振幅的波荷載。自從改法直接從數(shù)值上解決了Navier-stokes方程，即使是高度非線性現(xiàn)象，如抨擊和綠水航運都可納入考慮范圍。盡管這種方法不夠成熟，因為它才剛剛開始，但它有望作為估算波荷載和最終方法。上述方法的優(yōu)缺點見表1?？紤]到準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性、計算時間以及和長期預(yù)測法的兼容性，本文采取了基于頻域和三維勢流理論的估算方法。非線性特性及波浪限度、運動振幅那么是利用了大浪條件下油輪測試得到的結(jié)果。表1各種估算船體梁響應(yīng)數(shù)值法的優(yōu)缺點

10、A：線性帶狀法；B：頻域三維勢流理論；C：時域三維勢流理論；D：CFD。：很好；：好/可考慮；：不好；×：差/不考慮。2.2 蘭金源法表2集裝箱船模型的主要情況圖1 三個斷面處的力用力傳感器測量水池試驗的波浪條件見表3。該試驗在常規(guī)波條件下進(jìn)行，分別以三種不同的入射波高，10種波長，7七種入射波角度以301為間隔從1801頂頭浪到01尾隨浪以及2種不同的船速。短波范圍內(nèi)不能進(jìn)行15米波高的水池試驗，入射波會在這個高度破裂。2.4 數(shù)值結(jié)果比擬圖2ac表示了首斜浪120°中三個斷面站線為2.5，5.0和7.5處響應(yīng)函數(shù)振幅的比擬，或所謂的扭力矩響應(yīng)振幅算子的比擬。橫坐標(biāo)顯示波

11、長隨船舶高度L(/L)而變化的情況,縱坐標(biāo)那么顯示單位波幅的扭力矩振幅。試驗結(jié)果利用傅里葉函數(shù)進(jìn)行分析，因此，水池試驗值說明元件振幅周期與遭遇波周期相同。圖中，“Exp.(3.5m), “Exp.(9.0m), “Exp.(15.0m), “STRIP and “Rankine分別代表3種入射波高度條件下的試驗結(jié)果，帶狀法及蘭金源法分析結(jié)果。計算力傳感器縱向位置或略低于靜止水位的扭力矩。表3水池試驗的波浪條件蘭金源法得到的數(shù)值結(jié)果與3.5米波高時的試驗結(jié)果有很好的一致性，尤其在短波范圍內(nèi)，如圖2所示。而帶狀法得到的數(shù)值結(jié)果那么與試驗結(jié)果有較大出入。圖2 站線2.5a，5.0b，7.5c處試驗結(jié)

12、果與數(shù)值分析法結(jié)果的比擬。數(shù)據(jù)還顯示在首斜浪120°的更短波長范圍內(nèi)結(jié)果最大。此外，船尾處站線2.5也比其他地方站線5.0，7.5的結(jié)果大。2.5 波中扭力矩的非線性特性波浪高度使扭力矩具有非線性特征，繼而造成如圖2(a)(c)中“Exp.(3.5m),“Exp.(9.0m) and“Exp.(15.0m)處試驗結(jié)果的不同。隨著波浪高度的增加，船頭尾處每單位入射波的扭力矩增大，顯示出明顯的非線性特征。而船尾和船中間不同波高的三個值和扭力矩幾乎相同，非線性特征微弱。試驗中利用扭力矩 RAOs 得到與船中間部位有關(guān)的剪力中心處短期和長期扭力矩預(yù)測值。短期和長期預(yù)測分別用到了社科理事會19

13、64波光譜定向分配：余弦2和國際船級社協(xié)會波數(shù)據(jù)北大西洋，全年 29。采用福田康夫提出的方法作了長期預(yù)測。然后，比擬大波浪與線性小波浪中的長期扭力矩預(yù)測值，定量確定波荷載的非線性相關(guān)系數(shù)。非線性相關(guān)系數(shù)Cnonlinear定義為在代表線性因素的大、小波浪條件下扭力矩長期預(yù)測值的比值。 ( 1)其中Xmax and Xmax分別代表概率水平為10-8時波高9.0m和3.5m條件下利用 RAOs得到的扭力矩長期預(yù)測值。因此，假定相關(guān)響應(yīng)的試驗結(jié)果在3.5m波高條件下呈線性關(guān)系，又因為短波范圍內(nèi)高15米的波浪會破碎，扭力矩會到達(dá)顯著值，同時假定波高9m時非線性關(guān)系使扭力矩的增加量到達(dá)最大值。表4顯示

14、了三個不同地點處(站線為2.5、5.0 和 7.5)與扭力矩有關(guān)的非線性相關(guān)系數(shù)值。由表可發(fā)現(xiàn)船中間和船尾站線為2.5，5.0處非線性特征不明顯，而船頭站線為7.5處扭力矩的非線性相關(guān)系數(shù)那么非常大。表4與波高有關(guān)的扭力矩非線性相關(guān)系數(shù)試驗結(jié)果3. 結(jié)構(gòu)響應(yīng)估計3.1 概述材料力學(xué)說明，在大斷面梁上扭轉(zhuǎn)響應(yīng)和橫向響應(yīng)會發(fā)生耦合。為了防止翹曲應(yīng)力和橫向彎曲應(yīng)力發(fā)生耦合，要采用的標(biāo)準(zhǔn)程序是評估與船中間部位有關(guān)的扭力矩剪切中心，并定義翹曲應(yīng)力為扭力矩下的船體梁應(yīng)力。但是，一個真正的而變化，故應(yīng)力分量不能被完全分開。另一方面，翹曲應(yīng)力WT也可定義為扣除橫向彎曲應(yīng)力后橫向剪切應(yīng)力和扭力矩下的船體梁應(yīng)力，

15、結(jié)構(gòu)上可表達(dá)為WT HSTM WH，其中HS ，TM 和WH分別表示橫向剪切應(yīng)力、扭力矩和橫向彎曲應(yīng)力下的船體梁應(yīng)力。這一定義中，不需要假定剪切中心的高度。通過研究計算，由第一個定義得到的翹曲應(yīng)力的響應(yīng)函數(shù)與第二個定義得到的結(jié)果幾乎相同。第二個定義用于評價船首和船尾局部的翹曲應(yīng)力。3.2 扭轉(zhuǎn)響應(yīng)的分析過程超巴拿馬型集裝箱船(L×B×D×d287×40××24×13m4)在規(guī)那么波中的扭力矩由上面已述的三維蘭金源法分析得到，主要評估其剪切中心。波中扭力矩下的集裝箱船結(jié)構(gòu)響應(yīng)利用圖3中提到的全球有限元模型分析得到。它包括大約5

16、0，000相對粗略的要素，其中絕大局部是板單元和活塞桿要素。梁或樓板間距作為要素一邊的標(biāo)準(zhǔn)長度。利用在最近網(wǎng)格線處的混合與建模來考慮加強(qiáng)板的影響，而使所有全球結(jié)構(gòu)特性，諸如縱向彎曲剛度、橫向彎曲剛度、扭轉(zhuǎn)剛度以及扭轉(zhuǎn)彎曲剛度，可能在有限元模型中重現(xiàn)。選擇一個適宜的組合參數(shù)，使剛體的轉(zhuǎn)換和旋轉(zhuǎn)位移能受到限制。因為由蘭金源法分析得到的扭力矩是自我調(diào)整平衡的，所以限制點的響應(yīng)力度非常小。圖3 一個整船的有限元模型和一個扭力矩應(yīng)用程序現(xiàn)選擇一定的規(guī)那么波，規(guī)那么波條件下計算得到的扭力矩直接應(yīng)用于有限元分析模型，并考慮扭力矩沿船的分布情況。圖3中舉例證明了扭力矩的一種應(yīng)用程序。找出艙壁上連續(xù)截面之間的扭

17、力矩差異，然后將一系列垂直剪切荷載應(yīng)用于每個艙壁。有必要為提供的規(guī)那么波進(jìn)行兩次有限元分析，也就是，一次直接，一次轉(zhuǎn)換90°。改換規(guī)那么波的波高和頂頭浪的角度，反復(fù)上述的分析方法，得到不同波浪條件下的翹曲應(yīng)力響應(yīng)函數(shù)。以同樣的方法計算艙口開口相對變形的響應(yīng)函數(shù)。艙口開口的相對變形定義為艙口之間縱向位移之差如圖4。3.3 結(jié)論圖5ac分別顯示了站線2.5、5.0、7.5處扭力矩的RAOs。橫坐標(biāo)表示波長隨船舶長度而變化，縱坐標(biāo)那么表示每單位波幅的無量綱扭力矩之剪切中心。 扭力矩RAOs的曲線特征是溫和峰值出現(xiàn)在短波區(qū)域。當(dāng)遭遇波角度為120°時，峰值為最高值。圖4 艙口開口相

18、對變形的定義圖5 扭力矩之剪切中心的響應(yīng)振幅算子a站線2.5處；b站線5.0處；c站線7.5處。圖6 E/R之前翹曲應(yīng)力的響應(yīng)振幅算子 圖7 艙口開口相對變形的響應(yīng)振幅算子圖6、7分別表示了輪機(jī)艙前翹曲應(yīng)力的RAOs和艙口開口相對變形的RAOs。翹曲響應(yīng)和相對變形的曲線同樣具有一個溫和的峰值，該值出現(xiàn)在短波區(qū)域內(nèi)遭遇波角度為120°的情況下。4. 結(jié)論以下結(jié)論是通過分析波浪荷載和超巴拿馬型集裝箱船的水池試驗得到。三維蘭金源法得到的扭力矩值份額和試驗得到的數(shù)據(jù)；根據(jù)不同波浪高度條件下的試驗結(jié)果可知，扭力矩的非線性關(guān)系明顯存在于船身的前半局部；利用數(shù)值分析法得到船體扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度值，依此討論得出一種評估集裝箱船扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度的實用方法。結(jié)論歸納如下：L，遭遇波角度為120°；以