1 开题报告 船舶与海洋工程 80m矿砂船波浪载荷计算 一、综述本课题国内外研究动态，说明选题的依据和意义： (一)国内外研究动态
船舶的波激振动是大型船舶在较低海况下可能产生的船体较大幅度的二节点振动现象, 波激振动引起的船体垂向弯矩甚至可达到波浪弯矩的二分之一以上, 由此引起比较严重的船体结构疲劳问题, 当船舶尺度越大时, 波激振动现象就可能越严重。 林吉如（1995）[1]对超大型油轮的波激振动的发生机理进行了实船测量和船模试验研究, 还探讨了波激振动对超大型油船总纵强度及疲劳寿命的影响。在实船测试中， 他对船中甲板应力进行谱分析和滤波后发现该船在7至9级风的海况下确实存在波激振动现象。波激振动应力叠加到波浪诱导应力上去后会使船体总纵弯曲应力增加13%~17%。通过模型试验, 发现超大型油船在规则波顶浪中匀速航行时, 当波浪遭遇频率和船体二节点固有振动频率接近时, 就会激起船体共振, 产生所谓的线性波激振动现象。一旦波浪遭遇频率稍微偏离共振频率, 波激振动现象马上消失。因此, 他认为影响波激振动的最敏感因素是航速和航向。他还发现波激振动产生的弯矩的无因次系数可能数倍于油船设计波浪诱导弯矩的无因次系数值, 波激振动产生的船体应力在船中剖面附近最大, 并逐渐向首尾两端减小。 顾学康等（2000）[2] 根据试验和理论方法对规则波中垂向弯矩的高阶调和成分进行了研究。研究表明如果弯矩的较高阶成分等于船体梁的特征频率, 则这个高阶的成分可能会导致波激振动的发生, 即所谓的非线性波激振动。Dudson等（2001）[3]则提到波浪载荷的二阶或倍频成分可能会对波激振动的产生有所贡献（尽管没有在他们的模型试验中得到证实）。Jensen 等（2004）[4] 认为对传统的船舶来说, 如果弯曲刚度小、航速高和非线性激励严重, 则波激振动可能会比较严重。顾学康等（2004）[5] 对一超大型油船进行了线性（船体梁一阶振动频率等于遭遇波频）与非线性（船体梁一阶振动频率等于遭遇频率的整数倍）波激振动试验, 对油船波激振动响应特征及其对结构疲劳的贡献进行了研究。通过试验发现, 零航速时, 按波浪遭遇频率变化的低频波浪弯矩能量较大 2
, 占主要成分, 其它为一些倍频成分；有航速时, 按船体梁一阶振动频率变化的高频波浪弯矩占主要成分,比波浪遭遇频率的能量大得多。通过分析其原因, 他认为主要不在于航速的影响, 通过试验录像也没有发现砰击现象, 而在于船体梁一阶总振动频率与波浪遭遇频率之间的倍数关系（n）。如果n 是整数倍的, 且该整数较小, 则非线性波浪载荷中的某阶倍频成分很容易使船体梁产生共振, 即非线性波激振动。 GAUTE（2006）[6]等对一大型散货船进行了波激和砰击振动响应试验研究。DNV关于散货船的实船测量表明波激振动对疲劳破坏的贡献达到了波频载荷的水平。通过四个非线性程序预报波激振动的数值结果都小于测量结果。因此作者认为由于在船体结构设计分析时对波激振动机理没有很好地掌握, 导致了船舶在运营后产生严重的疲劳破坏, 从而使船东产生了昂贵的维修费用。他们在顶浪中对一大型弹性船模在压载和满载条件下的波激振动现象进行了试验研究。模型试验中研究了各种可能激励源的贡献。通过规则波试验检查了高阶调和函数并得到了传递函数, 而疲劳破坏则根据实际的海况用雨流计数法计算。对振动损伤和波频损伤进行了比较, 结果表明了高频振动的重要性。 我国目前正在开发的超大型矿砂船, 船长超过了400米, 其较低的二节点振动固有频率与海浪中的波浪频率藕合将产生对船体结构不利的影响, 因此, 船体波激振动现象及其对结构疲劳的影响应该在设计过程中进行认真的考虑。本文对一超大型矿砂船在压载和满载工况下的模型试验进行了研究, 包括规则波和不规则波试验, 对波激振动现象及产生的机理进行了分析。通过对试验数据的频谱分析研究了该船在规则波与不规则波中波浪遭遇频率、船体梁一阶振动频率、倍频、船体梁高阶振动频率与波激振动现象之间的关系。
。 (二)选题的依据和意义 波激振动现象自20世纪60年代起从大型矿砂船开始受到关注. 由于船体尺度的不断增大,高强度钢的大量使用以及航速的持续增大,波激振动现象不断出现在大型矿砂船、大型集装箱船和大型油船等上,影响了船舶在海上航行的安全性,增加了船体结构的维修成本. 许多研究者开展了各种规模的模型试验、理论研究和实船测量工作,目的是研究波激振动发生的机理,发展工程实用的预报波激振动预报[ 1 - 5 ] . 通过这些研究,认为波激现象有以下几个特点: ① 随着航速的增加而增加(遭遇频率增大) ;②顶浪航行时比其它浪向严重(顶浪遭遇频率大) ;③随船体吃水减小变得严重(压载响应大于3
满载) ;④航线不同则发生情况不同(与波浪周期和航向有关) ; ⑤随着船舶主尺度的增大,船体振动频率变小,阻尼变小,现象更严重; ⑥在时域记录上,起始于船体出水过程(和砰击相反)发生. 波激振动对船体极限载荷的影响:对一艘25万吨油船,长期可以增加5%[ 6 ] ;对一艘超大型集装箱船,短期可以使波浪弯矩增加100% ,长期可以增加3% ～5%;对一艘25万吨矿砂船,短期可以使波浪弯矩增加50%[ 5 ] . 这里长期或短期指波浪统计的长短.由于波激振动模型试验在一般的水池造波条件下不容易实现,波激振动的机理尚未完全清楚.目前,预报波激振动的工程实用方法还不成熟,波激振动对船体极限载荷的影响还没有在军民船规范中得到体现. 但是,随着船舶主尺度的不断加大,为减轻结构重量而采用的高强度钢越来越多,船体结构变得越来越“软”,大型船舶的波激振动现象将变成一个十分严重的问题. 入级挪威船级社DNV (Det Norske Veritas)的25万吨级矿砂船在北大西洋航线使用不到两年的时间里甲板就产生了严重的裂纹[ 5 ] . 通过长期跟踪监测,发现存在严重的波激振动现象. 在结构修复和加强(剖面模数增加40% ,一阶频率增加10% )后,仍然有严重的波激振动现象发生. DNV为此启动了一个国际合作项目,试图通过理论计算和模型试验解决此问题,但目前为止仍未取得标志性成果. 本文利用和发展已有的非线性切片理论,对一大型矿砂船的波浪载荷、砰击载荷和波激振动载荷进行计算,对计算结果和模型试验结果进行比较分析;预报该船在澳洲航线、非洲航线和南美洲航线上的波浪载荷、砰击载荷与波激振动载荷,获得长期极值载荷分布,分析高频(波激振动和颤振)载荷的影响和特征,对该船及同类超大型船舶的设计有指导意义. 二、研究的基本内容，拟解决的主要问题：
（一）研究的基本内容 用sesam软件来研究80米矿砂船的波浪载荷 （二）拟解决的主要问题 1、建立80矿砂船的模型； 2、在sesam软件中进行模拟水动力实验； 3、得出各工况下的计算结果并进行分析。 三、研究步骤、方法及措施： 4
1、查阅资料与资料整理； 2、熟悉结构图纸； 3、利用sesam建立矿砂船模型； 4、利用sesam进行波浪载荷计算和分析； 5、论文撰写。 四参考文献 [ 1 ] ISSC, Committee Ⅱ. 22Dynamic response [ C ] / /Proceed2ings of the 13 th International Ship and Offshore Structures Congress, Nagasaki, Japan: [ s. n. ] , 2000. [ 2 ] Gu X K, Shen J W, Moan T. Experimental and theoretical investigation of higher order harmonic components of nonlinear bending moments of ship s[ J ]. Journal of Ship Technology Research, 2000, 47 (4) : 143 - 154. [ 3 ] Jensen J J,Vidic2Perunovic J. On sp ringing of mono2hull ship s[ R ]. Finland: DNV Workshop on Fatigue Strength Analysis of Ship s, 2002. [ 4 ] Gu X K, Storhaug G, Vidic2Perunovic J, et al. Theoretical p redictions of sp ringing and their comparison with full scale measurements[ J ]. Journal of Ship Mechanics, 2003(6) : 100 - 115. [ 5 ] Storhaug G. Experimental investigation of wave inducedvibrations and their effect on the fatigue loading of ships[D ]. Narway: Norwegian University of Science and Technology, 2007. [ 6 ] Castberg G, Gran S. Signal p rocessing of long term stress measurements on TT Esso Bonn [ R ]. Narway: DNV, 1976: 76 - 067. [ 7 ] Salvesen N, Tuck E O, Faltinsen O. Ship motions and sea loads[ J ]. Trans SNAM E, 1970, 78: 250 - 287. [ 8 ] Gu X K, Shen J W, Moan T. Efficient and simplified time domain simulation of nonlinear responses of ship s in waves[ J ]. Journal of Ship Research, 2003, 47 (3) : 262- 273. [ 9 ] 汪雪良. 50万吨矿砂船波激和砰击振动模型试验报告[R ]. 无锡:中国船舶科学研究中心, 2008. [ 10]川林吉如)。超大型油船波激振动研究[ J ]。船舶工程，1995，2：4-9. [ 11] 顾学康, 胡弃骏) 超大型油船棋型波浪载荷试验报告[ R]。中国船舶科学研究中心科技报告,2004. [12]顾学康, 祁恩荣散货船波浪载荷与货载计算程序系统[ R])中国船舶科学研究中心科技报