船舶波浪载荷水弹性分析及对疲劳强度影响

论文摘要

随着海洋事业的不断发展,船舶正向大型化,专业化方向转化。然而由于大型化船舶具有大长宽比的特点,导致其刚度比常规船舶要低得多,因此容易受到波浪的影响,产生波激振动,从而使其整体的弹性变形加大,对疲劳产生不利的影响。以平面流建立起来的二维方法,并采用不计船体弹性效应的刚体模型与仅适用于低海况、低航速时的假设,逐渐暴露出其局限性。因此本文依据三维线性水弹性理论,计算船体剖面载荷,通过模型试验,验证计算结果的合理性,并讨论了弹振对船舶疲劳强度的影响。本文着重在以下几方面进行了研究：(1)将船体简化为船体梁模型,将其分成20段。每段均是一个Timoshenko梁模型,本文采用目前常用的迁移矩阵法进行垂向对称干模态分析,以一艘大型船舶为算例,给出船舶结构特性随船长的变化曲线,并计算各阶模态固有振型。(2)为了较真实的反映船舶弹性效应,并验证本文中水弹性方法数值计算结果的正确性,以实船的首阶固有频率与模型的首阶固有频率相似为基础,符合几何相似以及运动相似和重力相似,设计某大型船舶的变截面梁水弹性试验模型,并完成试验。(3)在三维线性势流理论的基础上,计及结构的弹性变形,对三维线性频域水弹性分析方法进行分析研究,以某大型船舶为例,通过本文数值计算结果与试验测量结果的比较,对该方法进行了验证,并讨论弹性效应对波浪载荷的影响。(4)简述采用谱分析法进行疲劳寿命的评估的过程,以某矿砂船为例,对比三维线性水弹性方法计算出的疲劳损伤以及疲劳寿命与采用刚体理论计算结果,通过对比分析讨论水弹性对疲劳强度的影响。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究的背景、目的和必要性
• 1.2 课题研究的现状
• 1.2.1 水弹性力学理论研究现状
• 1.2.2 水弹性模型试验研究现状
• 1.3 本文完成的主要内容
• 第2章 船体结构模态分析
• 2.1 概述
• 2.2 弹性体干模态分析方法
• 2.2.1 船体对称干模态
• 2.2.2 船体结构振动方程的求解方法
• 2.3 弹性船体三维湿表面网格自动生成
• 2.4 实船算例分析
• 2.4.1 某大型船舶模态分析
• 2.5 本章小结
• 第3章 三维线性频域水弹性方法
• 3.1 概述
• 3.2 结构基本运动方程
• 3.2.1 三维结构动力学方程
• 3.2.2 主坐标及结构运动方程转化
• 3.3 弹性体周围流场的三维势流理论
• 3.3.1 基本假定与坐标系选取
• 3.3.2 入射速度势的表示以及边界条件
• 3.3.3 弹性体周围流场速度势分解及边界条件
• 3.3.4 非定常扰动势的定解条件
• 3.3.5 非定常扰动势求解的源汇分布法
• 3.4 弹性船体上广义力的表达
• 3.4.1 广义流体力
• 3.4.2 广义重力
• 3.4.3 广义集中力
• 3.5 广义频域线性水弹性力学运动方程求解
• 3.6 算例分析
• 3.6.1 方法验证
• 3.6.2 大型船舶波浪载荷的弹性效应
• 3.7 本章小结
• 第4章 分段模型试验
• 4.1 概述
• 4.2 模型设计原理
• 4.3 模型设计
• 4.3.1 龙骨梁参数化设计
• 4.3.2 模型重心及转动惯量的调整
• 4.4 模型试验
• 4.4.1 实验环境
• 4.4.2 试验内容
• 4.5 规则波迎浪试验时历响应曲线及结果分析
• 4.6 刚体理论及线性水弹性理论结果与试验结果对比
• 4.6.1 时域范围内比较
• 4.7 本章小结
• 第5章 弹振对船舶疲劳强度的影响
• 5.1 概述
• 5.2 疲劳评估谱分析法原理
• 5.2.1 谱分析法原理简述
• 5.2.2 应力响应的传递函数
• 5.2.3 应力的响应谱
• 5.2.4 应力范围的短期分布
• 5.2.5 应力范围的长期分布
• 5.2.6 疲劳累积损伤度计算
• 5.3 疲劳分析基本要求
• 5.3.1 疲劳校核部位
• 5.3.2 腐蚀余量扣除
• 5.3.3 S-N曲线选取
• 5.3.4 疲劳载荷的施加
• 5.3.5 热点应力评估方法
• 5.4 谱分析法疲劳强度实船算例
• 5.4.1 主尺度
• 5.4.2 疲劳校核节点的布置
• 5.4.3 应力集中系数计算
• 5.4.4 应力传递函数
• 5.4.5 谱分析计算的疲劳损伤和疲劳寿命
• 5.5 本章小结
• 总结
• 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