基于實(shí)船試驗(yàn)的主船體結(jié)構(gòu)安全性評(píng)估方法

胡嘉駿，邵優(yōu)華，徐秋霞，王 輝，汪雪良

（1中國(guó)船舶科學(xué)研究中心，江蘇 無(wú)錫 214082；2海軍駐上海地區(qū)艦炮系統(tǒng)軍事代表室，上海 200129；3江蘇科技大學(xué)，江蘇 鎮(zhèn)江 212003）

基于實(shí)船試驗(yàn)的主船體結(jié)構(gòu)安全性評(píng)估方法

胡嘉駿1，邵優(yōu)華2，徐秋霞3，王 輝1，汪雪良1

（1中國(guó)船舶科學(xué)研究中心，江蘇 無(wú)錫 214082；2海軍駐上海地區(qū)艦炮系統(tǒng)軍事代表室，上海 200129；3江蘇科技大學(xué)，江蘇 鎮(zhèn)江 212003）

與模型的水池試驗(yàn)相比，風(fēng)浪中實(shí)船的結(jié)構(gòu)響應(yīng)測(cè)試?yán)щy得多，尤其是高浪級(jí)很難遇到，中低浪級(jí)的實(shí)船試驗(yàn)結(jié)果如何用于船體結(jié)構(gòu)的安全性評(píng)估，成為關(guān)注的焦點(diǎn)。文中基于多條船的中低浪級(jí)的實(shí)船試驗(yàn)結(jié)果，給出了比較強(qiáng)度和高浪級(jí)下船體應(yīng)力的極值預(yù)報(bào)兩種船體結(jié)構(gòu)安全性的評(píng)估方法。研究結(jié)果表明所給出的評(píng)估方法為新建船舶主船體結(jié)構(gòu)的安全性評(píng)估提供了比較有效的工程應(yīng)用工具。

主船體結(jié)構(gòu)；安全性評(píng)估；實(shí)船試驗(yàn)；比較強(qiáng)度；極值預(yù)報(bào)

1 引 言

船體結(jié)構(gòu)均依據(jù)規(guī)范方法、直接設(shè)計(jì)方法或兩者結(jié)合的方法進(jìn)行設(shè)計(jì)。新設(shè)計(jì)的船舶由于其主尺度、線型、總布置、重心位置、重量分布、結(jié)構(gòu)形式和構(gòu)件尺寸等重要參數(shù)一般不同于已經(jīng)服役多年并經(jīng)過(guò)風(fēng)浪考驗(yàn)的船舶；規(guī)范中的半經(jīng)驗(yàn)半理論公式往往也不能完全正確地反映船體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)；設(shè)計(jì)者通過(guò)規(guī)范并不能知道相應(yīng)海況下的船體結(jié)構(gòu)響應(yīng)特性等。也就是說(shuō)，對(duì)于新設(shè)計(jì)的船舶要更多地了解其船體結(jié)構(gòu)的安全性可以通過(guò)理論計(jì)算、模型試驗(yàn)或相應(yīng)的實(shí)船試驗(yàn)。通過(guò)規(guī)定海況下的試驗(yàn)，考核船體安全航行能力及在一定海況下的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，由于組織、經(jīng)費(fèi)、時(shí)間和自然條件等方面的問(wèn)題，與模型的水池試驗(yàn)相比，風(fēng)浪中實(shí)船的結(jié)構(gòu)響應(yīng)測(cè)試?yán)щy得多，尤其是高浪級(jí)很難遇到，中低浪級(jí)的實(shí)船試驗(yàn)結(jié)果如何用于船體結(jié)構(gòu)的安全性評(píng)估，成為關(guān)注的焦點(diǎn)。比較強(qiáng)度和高浪級(jí)下船體應(yīng)力的極值預(yù)報(bào)方法是比較切實(shí)可行的辦法，下面結(jié)合實(shí)例就這兩種方法進(jìn)行探討，以供參考。

2 船體結(jié)構(gòu)安全性評(píng)估的比較強(qiáng)度方法

表1 八條試驗(yàn)船試驗(yàn)海況及船中主甲板應(yīng)力測(cè)量結(jié)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(yàn)船在可比條件下的船中總縱彎曲應(yīng)力比較Tab.2 Comparison of Longitudinal bending stresses at middle section of seven test ships in comparable condition

近年來(lái)開(kāi)展的八條試驗(yàn)船的試驗(yàn)海況及船中主甲板應(yīng)力測(cè)量結(jié)果列于表1。表1中試驗(yàn)工況均為頂浪工況，此時(shí)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(shí)船中主甲板應(yīng)力可以表征為船中總縱垂向彎曲應(yīng)力。表1中前七條船的船長(zhǎng)比較接近，船用材料相同，從測(cè)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(yīng)力全幅值列于表2，從表2中三一值的結(jié)果可以看出這七條試驗(yàn)船在可比條件下的船中總縱彎曲應(yīng)力之比，從比較強(qiáng)度的角度來(lái)看，1號(hào)和2號(hào)船的總縱強(qiáng)度偏弱，如果1號(hào)和2號(hào)船的船體結(jié)構(gòu)經(jīng)長(zhǎng)期航行考驗(yàn)，則可以認(rèn)為3～5號(hào)船的船體結(jié)構(gòu)安全性就總縱強(qiáng)度方面來(lái)說(shuō)也能有保證。

3 實(shí)船試驗(yàn)結(jié)果的極值預(yù)報(bào)方法

3.1 實(shí)船試驗(yàn)結(jié)果的極值推斷方法

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)本文可以兩種方法進(jìn)行極值推斷。

1）Weibull方法

認(rèn)為試驗(yàn)結(jié)果符合Weibull分布。圖1為Weibull分布擬合圖，據(jù)此可以給出極值推斷值或依據(jù)下式進(jìn)行Weibull分布的極值推斷。

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

2）Ochi方法

根據(jù)Ochi方法[1-2]，如果進(jìn)行載荷極值推斷，則：極值X為：

圖1 測(cè)量結(jié)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(shù)；X1/3為測(cè)量結(jié)果有義值。

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

對(duì)各工況，以上兩式中的N值按以下方法選?。焊鶕?jù)收集的北大西洋一次海浪持續(xù)的時(shí)間統(tǒng)計(jì)包絡(luò)線[2]（見(jiàn)表4），取N=1小時(shí)遭遇子樣數(shù)×風(fēng)浪持續(xù)時(shí)間。

以表1中第6條船相應(yīng)試驗(yàn)工況的試驗(yàn)數(shù)據(jù)為例，按照以上兩種方法的推斷結(jié)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(jié)果Tab.3 Extraplation results with two methods

3.2 高浪級(jí)下船體應(yīng)力的極值預(yù)報(bào)

3.1節(jié)給出了相應(yīng)試驗(yàn)海況下的兩種極值推斷方法，更關(guān)心的是其它海況[3]下的結(jié)果如何預(yù)報(bào)。從表1中實(shí)測(cè)海況可以看到，由于條件限制試驗(yàn)僅在單一波浪周期下進(jìn)行，這一周期不一定是試驗(yàn)船舶總縱彎曲響應(yīng)最大的周期，可以輔以必要的計(jì)算來(lái)進(jìn)行推斷。

圖2～4是依據(jù)三條船的船體資料，運(yùn)用線性波浪載荷計(jì)算方法[5]，進(jìn)行的單位波高下各周期波浪載荷計(jì)算的結(jié)果，從中可以看出船體總縱彎曲響應(yīng)最大的周期分別為7.0 s、7.5 s和9.1 s，可據(jù)此對(duì)試驗(yàn)三一值進(jìn)行修正。

圖2 3號(hào)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(jí)下船體結(jié)構(gòu)響應(yīng)的非線性現(xiàn)象[4]：垂向彎矩中垂/中拱＜0.6/0.4。進(jìn)行中垂應(yīng)力預(yù)報(bào)時(shí)取中垂系數(shù)為0.6，進(jìn)行中拱應(yīng)力預(yù)報(bào)時(shí)取中拱系數(shù)為0.45，進(jìn)行船體結(jié)構(gòu)應(yīng)力的極值預(yù)報(bào)時(shí)可用該值進(jìn)行中垂中拱應(yīng)力分離。三條船各波高下的極值預(yù)報(bào)結(jié)果列于表4和圖5～7，各船船中彎曲應(yīng)力極值隨浪高的增高呈現(xiàn)出非線性，預(yù)報(bào)結(jié)果可以結(jié)合船體結(jié)構(gòu)特性評(píng)估各船在各浪級(jí)下的船體結(jié)構(gòu)安全性。

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

圖4 8號(hào)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(yīng)力極值預(yù)報(bào)結(jié)果Tab.4 Extremum prediction of stress at middle ship main deck of three ships

圖5 3號(hào)船各浪級(jí)下船中應(yīng)力極值預(yù)報(bào)Fig.5 Extremum prediction of stress at middle ship main deck of ship No.3

圖6 6號(hào)船各浪級(jí)下船中應(yīng)力極值預(yù)報(bào)Fig.6 Extremum prediction of stress at middle ship main deck of ship No.6

4 結(jié) 論

本文基于多條船的中低浪級(jí)的實(shí)船試驗(yàn)結(jié)果，給出了兩種船體結(jié)構(gòu)安全性的評(píng)估方法，即：比較強(qiáng)度和高浪級(jí)下船體應(yīng)力的極值預(yù)報(bào)方法。

（1）對(duì)于船體結(jié)構(gòu)形式和材料比較接近的船舶，實(shí)船試驗(yàn)結(jié)果分析時(shí)可考慮使用比較強(qiáng)度方法對(duì)船體結(jié)構(gòu)安全性進(jìn)行評(píng)估。

（2）實(shí)船試驗(yàn)結(jié)果一般能夠符合Weibull分布，在此基礎(chǔ)上Weibull和Ochi兩種極值推斷方法具有一致性。

（3）基于中低浪級(jí)的實(shí)船試驗(yàn)結(jié)果，所預(yù)報(bào)的各船船中彎曲應(yīng)力極值隨浪高的增高呈現(xiàn)出非線性，預(yù)報(bào)結(jié)果可以結(jié)合船體結(jié)構(gòu)特性評(píng)估各船在各浪級(jí)下的船體結(jié)構(gòu)安全性，當(dāng)然如果能夠結(jié)合模型試驗(yàn)的結(jié)果將更具說(shuō)服力。

圖7 8號(hào)船各浪級(jí)下船中應(yīng)力極值預(yù)報(bào)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(fēng)浪中水面艦船實(shí)船結(jié)構(gòu)響應(yīng)測(cè)試技術(shù)及其應(yīng)用[C].中國(guó)鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會(huì)海洋鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會(huì)2000年學(xué)術(shù)會(huì)議論文集,2000:104-110.

[5]胡嘉駿.艦艇結(jié)構(gòu)直接設(shè)計(jì)方法研究總結(jié)報(bào)告[R].無(wú)錫:中國(guó)船舶科學(xué)研究中心科技報(bào)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(guó)船舶科學(xué)研究中心研究員；邵優(yōu)華（1964-），男，高級(jí)工程師。