基于SESAM的船體波浪載荷與結(jié)構(gòu)強(qiáng)度直接計(jì)算方法研究

馬英華，朱雨生，曹俊偉

（1．海裝沈陽(yáng)局駐大連地區(qū)某軍事代表室，遼寧 大連 116000；2．中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七二五研究所，河南 洛陽(yáng) 471000；3．中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心，湖北 武漢 430064）

隨著海上作業(yè)方式的多樣化，特種船的綜合使命功能多樣。不同的作業(yè)功能所遭受的波浪載荷差異較大。而不同的波浪載荷作用下船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有所不同。船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度評(píng)估對(duì)船舶安全至關(guān)重要，然而現(xiàn)有規(guī)范主要針對(duì)常規(guī)船型，對(duì)于主尺度比超出規(guī)范規(guī)定的適用范圍，在強(qiáng)度計(jì)算時(shí)，不能再使用規(guī)范波浪載荷，需要尋找適用的波浪載荷和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算方法。

關(guān)于船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算方法研究的學(xué)者較多。其中，許璠璠等人對(duì)典型工況下起重船艙段和起重基座的有限元模型進(jìn)行了強(qiáng)度分析，提出了一些關(guān)于起重船結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面的合理建議。王國(guó)學(xué)等人對(duì)SL151 起重船總縱強(qiáng)度進(jìn)行了計(jì)算，給出了新舊船體結(jié)合附近結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案。安改寧基于等效設(shè)計(jì)波法對(duì)大型起重船進(jìn)行有限元分析，提出了全船直接計(jì)算方法。趙尚輝等人以整船有限元計(jì)算結(jié)果為邊界，對(duì)救生船中央月池開(kāi)口部位的應(yīng)力集中問(wèn)題進(jìn)行分析，與光彈性試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，結(jié)果較為吻合。邳帥運(yùn)用MOSES 軟件建立起重船有限元模型，結(jié)合三維勢(shì)流理論，研究了起重船對(duì)南海海況的適用性問(wèn)題。馬亮等人結(jié)合CCS 相關(guān)規(guī)范對(duì)起重船上旋轉(zhuǎn)吊機(jī)對(duì)其強(qiáng)度和屈曲進(jìn)行了校核。

從上述學(xué)者中的研究中可以發(fā)現(xiàn)，目前針對(duì)某特種船結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算時(shí)，波浪載荷主要采用規(guī)范中經(jīng)驗(yàn)公式，對(duì)超規(guī)范設(shè)計(jì)船舶的波浪載荷研究較少。對(duì)于超規(guī)范設(shè)計(jì)的工作船，其波浪載荷需要采用水動(dòng)力軟件開(kāi)展波浪載荷直接計(jì)算，之后才能開(kāi)展船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核。本文基于三維線(xiàn)性勢(shì)流理論，采用DNV 的SESAM 軟件建立水動(dòng)力模型，運(yùn)用等效設(shè)計(jì)波方法對(duì)工作船船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行了有限元分析，并結(jié)合CCS 規(guī)范對(duì)船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行了校核。

1 主尺度

某船的主船體為單甲板、雙底的縱骨架式結(jié)構(gòu)，主尺度見(jiàn)表1。

表1 船舶主尺度（單位：m）

主尺度比值：L/B=2.481<5，B/D=5.975>2.5，超出規(guī)范主尺度要求，波浪載荷和船體強(qiáng)度均應(yīng)采用直接計(jì)算。

2 波浪載荷直接計(jì)算

2.1 水動(dòng)力模型

本文所使用的波浪載直接計(jì)算方法基于三維線(xiàn)性勢(shì)流理論，采用DNV 的SESAM 軟件。波浪譜為P-M雙參數(shù)譜，波浪資料采用IACS 推薦波浪長(zhǎng)期統(tǒng)計(jì)資料，波浪載荷設(shè)計(jì)計(jì)算值取為10-8 概率水平（代表設(shè)計(jì)壽命為20年）。坐標(biāo)系統(tǒng)采用右手坐標(biāo)系，原點(diǎn)位于Fr0船底中線(xiàn)處，在X 軸向船首為正方向，Y 軸向左舷為正方向，Z 軸向上為正方向，Panel 模型見(jiàn)圖1。

圖1 Panel 模型

2.2 波浪浪向和頻率

計(jì)算共選取了13 個(gè)浪向角：0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°、105°、120°、135°、150°、165°、180°，每隔30°一個(gè)浪向角。以0.1作為頻率的間隔，范圍從0.1 到3.0，共30 個(gè)頻率。同時(shí)在長(zhǎng)期預(yù)報(bào)的過(guò)程中，認(rèn)為這13 個(gè)浪向角作用在船體上的概率上相等的，即每個(gè)浪向角的概率為1/13=0.0769。選取距離尾垂線(xiàn)1/4L、1/2L、3/4L 處的三個(gè)剖面計(jì)算起波浪直接載荷，橫剖面的設(shè)置如圖2。

圖2 橫剖面分布圖

2.3 運(yùn)動(dòng)響應(yīng)結(jié)果

根據(jù)《鋼質(zhì)海船入級(jí)規(guī)范》（2021年版）對(duì)某新型工作船的總縱強(qiáng)度校核的規(guī)定，計(jì)算工況包括調(diào)遷和起重工況，工況1：滿(mǎn)載甲板貨出港，工況2：壓載到港，工況3：98%燃料及備品作業(yè)68°（500t），工況4：98%燃料及備品作業(yè)68°（500t，吊機(jī)朝艉）。船體外殼上的水動(dòng)力以及各種在單位規(guī)則波作用下的剪力、彎矩、扭矩等都是船體運(yùn)動(dòng)和載荷的傳遞函數(shù)。選取橫截面2 進(jìn)行船舯垂直彎矩傳遞函數(shù)的分析，如圖3所示。計(jì)算出主要載荷控制參數(shù)的傳遞函數(shù)之后，將傳遞函數(shù)與實(shí)際的波浪環(huán)境參數(shù)相結(jié)合即為船體主要載荷參數(shù)的長(zhǎng)期預(yù)報(bào)值。對(duì)典型裝載工況下控制波的波幅、波長(zhǎng)、浪向等參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，得到設(shè)計(jì)波參數(shù)如表2所示。設(shè)計(jì)波方程如下：

圖3 橫截面2 垂直彎矩傳遞函數(shù)

表2 設(shè)計(jì)波參數(shù)

3 有限元強(qiáng)度分析

3.1 計(jì)算模型

依據(jù)《鋼質(zhì)海船入級(jí)規(guī)范》（2021年版）第1章第5 節(jié)“結(jié)構(gòu)強(qiáng)度直接計(jì)算”的有關(guān)規(guī)定，運(yùn)用PATRAN 對(duì)整船進(jìn)行有限元建模，包括強(qiáng)力甲板及以下整個(gè)船長(zhǎng)、船寬范圍內(nèi)的船體結(jié)構(gòu)。有限元模型如圖4所示。船體結(jié)構(gòu)采用Q235 和AH36 兩種鋼材，具體材料布置見(jiàn)表3。

圖4 有限元模型圖

表3 材料布置及參數(shù)

3.2 計(jì)算載荷

計(jì)算載荷包括舷外水壓力、結(jié)構(gòu)自重和壓載以及起重載荷。

（1）舷外水壓力。根據(jù)波浪載荷直接計(jì)算結(jié)果將舷外水壓力載荷按壓力分布施加到表面各單元上，標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算波的波形取為余弦波，解析場(chǎng)坐標(biāo)系原點(diǎn)設(shè)置在船舶重心位置，通過(guò)對(duì)坐標(biāo)系進(jìn)行旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)對(duì)浪向的模擬。

（2）結(jié)構(gòu)自重和壓載。船體重量以節(jié)點(diǎn)力的形式施加，依據(jù)“船體重量重心計(jì)算書(shū)”調(diào)整重量重心，壓載水重量根據(jù)實(shí)際重量施加對(duì)應(yīng)的艙室。

（3）起重載荷。在基座構(gòu)件模型的最頂端端面的幾何形心處創(chuàng)建MPC 點(diǎn)，將起重機(jī)的載荷施加在MPC點(diǎn)。

3.3 邊界條件

對(duì)整體模型施加約束：首端點(diǎn)施加線(xiàn)位移約束：u=u=u=0，尾部端點(diǎn)施加u=u=0，u=0。

4 強(qiáng)度校核

4.1 許用值

表4 船體各構(gòu)件許用應(yīng)力

4.2 強(qiáng)度校核

圖5是各工況下有限元模型von Mises 應(yīng)力云圖，各工況下總縱強(qiáng)度應(yīng)力校核如表5所示。經(jīng)校核，最危險(xiǎn)工況為98%燃料及備品作業(yè)68°（500t，吊機(jī)朝艉）工況，主甲板最大彎曲正應(yīng)力230MPa，最大von Mises應(yīng)力294MPa，最大剪切應(yīng)力155MPa，均小于其許用應(yīng)力，其總縱強(qiáng)度滿(mǎn)足規(guī)范要求。

圖5 各工況下von Mises 應(yīng)力云圖

表5 各工況下應(yīng)力校核結(jié)果

5 結(jié)論

本文以某船為研究對(duì)象，由于本船尺度比不滿(mǎn)足規(guī)范要求，本文基于三維線(xiàn)性勢(shì)流理論運(yùn)用SWSAM 軟件建立水動(dòng)力模型，使用直接計(jì)算方法計(jì)算波浪載荷，運(yùn)用等效設(shè)計(jì)波方法對(duì)主船體結(jié)構(gòu)總縱強(qiáng)度進(jìn)行了有限元分析，并結(jié)合規(guī)范中相關(guān)規(guī)定對(duì)船體主要構(gòu)件，尤其是起重機(jī)基座位置進(jìn)行了校核。相對(duì)于規(guī)范規(guī)定的艙段有限元計(jì)算，超規(guī)范設(shè)計(jì)船舶需要建立全船模型，建模工作量增大許多，但可以更真實(shí)的反應(yīng)船舶整體結(jié)構(gòu)和局部基座位置結(jié)構(gòu)的應(yīng)力水平對(duì)于更準(zhǔn)確與合理地評(píng)估船體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度具有一定的指導(dǎo)和借鑒意義。