基于實船試驗的主船體結構安全性評估方法

胡嘉駿，邵優華，徐秋霞，王 輝，汪雪良

（1中國船舶科學研究中心，江蘇 無錫 214082；2海軍駐上海地區艦炮系統軍事代表室，上海 200129；3江蘇科技大學，江蘇 鎮江 212003）

基于實船試驗的主船體結構安全性評估方法

胡嘉駿1，邵優華2，徐秋霞3，王 輝1，汪雪良1

（1中國船舶科學研究中心，江蘇 無錫 214082；2海軍駐上海地區艦炮系統軍事代表室，上海 200129；3江蘇科技大學，江蘇 鎮江 212003）

與模型的水池試驗相比，風浪中實船的結構響應測試困難得多，尤其是高浪級很難遇到，中低浪級的實船試驗結果如何用于船體結構的安全性評估，成為關注的焦點。文中基于多條船的中低浪級的實船試驗結果，給出了比較強度和高浪級下船體應力的極值預報兩種船體結構安全性的評估方法。研究結果表明所給出的評估方法為新建船舶主船體結構的安全性評估提供了比較有效的工程應用工具。

主船體結構；安全性評估；實船試驗；比較強度；極值預報

1 引 言

船體結構均依據規范方法、直接設計方法或兩者結合的方法進行設計。新設計的船舶由于其主尺度、線型、總布置、重心位置、重量分布、結構形式和構件尺寸等重要參數一般不同于已經服役多年并經過風浪考驗的船舶；規范中的半經驗半理論公式往往也不能完全正確地反映船體結構的設計特點；設計者通過規范并不能知道相應海況下的船體結構響應特性等。也就是說，對于新設計的船舶要更多地了解其船體結構的安全性可以通過理論計算、模型試驗或相應的實船試驗。通過規定海況下的試驗，考核船體安全航行能力及在一定海況下的結構強度，由于組織、經費、時間和自然條件等方面的問題，與模型的水池試驗相比，風浪中實船的結構響應測試困難得多，尤其是高浪級很難遇到，中低浪級的實船試驗結果如何用于船體結構的安全性評估，成為關注的焦點。比較強度和高浪級下船體應力的極值預報方法是比較切實可行的辦法，下面結合實例就這兩種方法進行探討，以供參考。

2 船體結構安全性評估的比較強度方法

表1 八條試驗船試驗海況及船中主甲板應力測量結果Tab.1 Environment condition of full-scale test of eight test ships and its test stress results at middle ship main deck

表2 七條試驗船在可比條件下的船中總縱彎曲應力比較Tab.2 Comparison of Longitudinal bending stresses at middle section of seven test ships in comparable condition

近年來開展的八條試驗船的試驗海況及船中主甲板應力測量結果列于表1。表1中試驗工況均為頂浪工況，此時船舶所受波浪載荷以垂向彎曲載荷為主，水平彎矩和扭矩比較小，此時船中主甲板應力可以表征為船中總縱垂向彎曲應力。表1中前七條船的船長比較接近，船用材料相同，從測量到的航速和波浪周期而言比較接近，具有比較大的可比性，各船單位波高下船中總縱垂向彎曲應力全幅值列于表2，從表2中三一值的結果可以看出這七條試驗船在可比條件下的船中總縱彎曲應力之比，從比較強度的角度來看，1號和2號船的總縱強度偏弱，如果1號和2號船的船體結構經長期航行考驗，則可以認為3～5號船的船體結構安全性就總縱強度方面來說也能有保證。

3 實船試驗結果的極值預報方法

3.1 實船試驗結果的極值推斷方法

根據試驗數據本文可以兩種方法進行極值推斷。

1）Weibull方法

認為試驗結果符合Weibull分布。圖1為Weibull分布擬合圖，據此可以給出極值推斷值或依據下式進行Weibull分布的極值推斷。

（1）式表示：當超越概率Q=1/N時，極值推斷值為X，即在N個子樣中僅有1次超過極值推斷值X。α及λ為Weibull分布的形狀和尺度函數。

2）Ochi方法

根據Ochi方法[1-2]，如果進行載荷極值推斷，則：極值X為：

圖1 測量結果的Weibull分布擬合圖Fig.1 Test results fitted with Weibull distribution

這里：α為保證率,這里取0.01；N為子樣數；X1/3為測量結果有義值。

推斷的結果表示在1%保證率下一次風浪所可能遭遇到的最大值，類似于經歷100次三一浪高相同的風浪所可能遭遇到的最大值。

對各工況，以上兩式中的N值按以下方法選取：根據收集的北大西洋一次海浪持續的時間統計包絡線[2]（見表4），取N=1小時遭遇子樣數×風浪持續時間。

以表1中第6條船相應試驗工況的試驗數據為例，按照以上兩種方法的推斷結果列于表3。Weibull和Ochi兩種極值推斷方法具有一致性。

表3 兩種方法的推斷結果Tab.3 Extraplation results with two methods

3.2 高浪級下船體應力的極值預報

3.1節給出了相應試驗海況下的兩種極值推斷方法，更關心的是其它海況[3]下的結果如何預報。從表1中實測海況可以看到，由于條件限制試驗僅在單一波浪周期下進行，這一周期不一定是試驗船舶總縱彎曲響應最大的周期，可以輔以必要的計算來進行推斷。

圖2～4是依據三條船的船體資料，運用線性波浪載荷計算方法[5]，進行的單位波高下各周期波浪載荷計算的結果，從中可以看出船體總縱彎曲響應最大的周期分別為7.0 s、7.5 s和9.1 s，可據此對試驗三一值進行修正。

圖2 3號船船中波浪彎矩三一值分布Fig.2 Wave-induced bending moment distributio at middle section of ship No.3

考慮到高浪級下船體結構響應的非線性現象[4]：垂向彎矩中垂/中拱＜0.6/0.4。進行中垂應力預報時取中垂系數為0.6，進行中拱應力預報時取中拱系數為0.45，進行船體結構應力的極值預報時可用該值進行中垂中拱應力分離。三條船各波高下的極值預報結果列于表4和圖5～7，各船船中彎曲應力極值隨浪高的增高呈現出非線性，預報結果可以結合船體結構特性評估各船在各浪級下的船體結構安全性。

表4中結果與靜水彎曲應力疊加后，在14 m波高下，船中主甲板中垂彎曲應力均小于船體結構屈曲應力和屈服應力，中拱彎曲應力小于船體結構屈服應力。表明在此推斷海況下這三條船的主船體結構尚有較大的安全儲備。

圖4 8號船船中波浪彎矩三一值分布Fig.4 Wave-induced bending moment distribution at middle section of ship No.8

表4 三條船船中應力極值預報結果Tab.4 Extremum prediction of stress at middle ship main deck of three ships

圖5 3號船各浪級下船中應力極值預報Fig.5 Extremum prediction of stress at middle ship main deck of ship No.3

圖6 6號船各浪級下船中應力極值預報Fig.6 Extremum prediction of stress at middle ship main deck of ship No.6

4 結 論

本文基于多條船的中低浪級的實船試驗結果，給出了兩種船體結構安全性的評估方法，即：比較強度和高浪級下船體應力的極值預報方法。

（1）對于船體結構形式和材料比較接近的船舶，實船試驗結果分析時可考慮使用比較強度方法對船體結構安全性進行評估。

（2）實船試驗結果一般能夠符合Weibull分布，在此基礎上Weibull和Ochi兩種極值推斷方法具有一致性。

（3）基于中低浪級的實船試驗結果，所預報的各船船中彎曲應力極值隨浪高的增高呈現出非線性，預報結果可以結合船體結構特性評估各船在各浪級下的船體結構安全性，當然如果能夠結合模型試驗的結果將更具說服力。

圖7 8號船各浪級下船中應力極值預報Fig.7 Extremum prediction of stress at middle ship main deck of ship No.8

[1]Owen F.Huges ship structural design-A rationally-based,computer-aided,optimization approach[M].John Wiley&Sons,Inc,1983.

[2]Ochi M K.Wave statistics for the design of ships and ocean structures[J].Trans.SNAME,1978,86:47-76.

[3]IACS RECOMMENDATION No.34 ‘Standard Wave Data’[K].2001.

[4]胡嘉駿,等.風浪中水面艦船實船結構響應測試技術及其應用[C].中國鋼結構協會海洋鋼結構協會2000年學術會議論文集,2000:104-110.

[5]胡嘉駿.艦艇結構直接設計方法研究總結報告[R].無錫:中國船舶科學研究中心科技報告,CK-11528,2006.

Ship hull girder safety assessment based on the full-scale test results

HU Jia-jun1,SHAO You-hua2,XU Qiu-xia3,WANG Hui1,WANG Xue-liang1

(1 China Ship Scientific Research Center,Wuxi 214082,China;2 Naval Representative Office in Shanghai,Shanghai 200129,China;3 Jiangsu University of Science and Technology,Zhenjiang 212003,China)

Comparing with the wave-induced load model test,it is difficult to carry out the full-scale test in rough seas.For the large class wave rarely encountered,the full-scale tests(short-term)are almost processed in medium class wave.In this paper,the suitable methods were established based on the full-scale test results for the safety assessment of the ship hull structure.Comparative strength and ship stress short-term extremum forecast in any class wave that based on the results of the test processing in medium class wave were applied to assess the safety of the ship hull girder.The comparative and extremum estimation results indicate that the safety assessment method can be applied as availability engineering tools to assess the safety of a new built ship’s hull girder.

ship hull girder;safety assessment;full-scale test;comparative strength;extremum prediction

U661.2

A

1007-7294（2011）11-1278-05

2011-07-12

胡嘉駿（1965-），男，中國船舶科學研究中心研究員；邵優華（1964-），男，高級工程師。