基于船體梁載荷調(diào)整的集裝箱船總強度評估方法研究

韓 濤 吳嘉蒙 蔡詩劍

（1.中國船舶及海洋工程設(shè)計研究院 上海200011；2. 上海市船舶重點實驗室 上海200011）

引 言

等效設(shè)計波EDW（equivalent design wave）是目前船舶與海洋工程領(lǐng)域進(jìn)行結(jié)構(gòu)安全性評估時常用的載荷確定方法，基本原理是通過譜分析以及概率篩選等，確定船舶在規(guī)定的航行狀態(tài)時遇到的實際波浪工況，從而為結(jié)構(gòu)強度評估提供所需要的局部載荷，包括舷外水壓力以及自身的慣性載荷等［1］。

等效設(shè)計波通常是通過對船體特定區(qū)域以及結(jié)構(gòu)的應(yīng)力進(jìn)行譜分析，以篩選出起決定性作用的設(shè)計波，HCSR 中關(guān)于強度評估的設(shè)計波便是采用此方法確定［2］。此方法確定的設(shè)計波往往是針對典型區(qū)域的，最終確定的設(shè)計波數(shù)量較少且具有一定的典型性，但缺點是對于線型變化較大的船舶，其反映的并不一定是最危險的工況。如對于集裝箱船，根據(jù)BV 船級社規(guī)范，針對水平波浪彎矩，僅需要考慮船舯0.5L處水平彎矩到達(dá)最大值的情況；而實際分析結(jié)果顯示，使0.2L附近水平波浪彎矩到達(dá)最大值的設(shè)計波引起的垂向彎矩分量會明顯更大，對最終的應(yīng)力計算結(jié)果作用更加明顯。

為應(yīng)對此種情況，需進(jìn)行大量設(shè)計波計算，以包絡(luò)值決定應(yīng)力最大值的設(shè)計波。比如，原GL 規(guī)范中［3］，針對集裝箱船，針對某一個載況，在規(guī)則波中共選取約9 500 個設(shè)計波，以此得到其規(guī)范中要求的船體梁載荷等的包絡(luò)值，從而在此基礎(chǔ)上選定約20 個起決定作用的設(shè)計波，作為該載況下的強度評估等效設(shè)計波。

在設(shè)計階段（尤其是設(shè)計初期階段），對一些結(jié)構(gòu)形式以及尺寸的確定，需要對全船作初期的強度評估，此時進(jìn)行大量設(shè)計波運算然后作篩選是不現(xiàn)實的；而僅進(jìn)行滿足規(guī)范角度的強度校核，可能會遺漏部分危險工況，對于設(shè)計初期階段的結(jié)構(gòu)方案設(shè)計也不利的。因此，本次擬尋找一種適用于設(shè)計初期的全船強度校核方法，使其既能包含最危險的工況又無需進(jìn)行大量計算工作。

1 方法簡介

艙段校核中，在施加完局部載荷后，通過調(diào)整船體梁載荷使船體梁載荷值到達(dá)要求的值，由此確保結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力能體現(xiàn)在艙段模型中［4］。本文在此方法的基礎(chǔ)上，將相關(guān)理論應(yīng)用到全船分析，提出一種結(jié)合船體梁載荷調(diào)整和等效設(shè)計波法的全船校核方法，基本思路如圖1 所示。

傳統(tǒng)規(guī)范的方法是僅對于一個位置制定設(shè)計波，確保某個位置處的主導(dǎo)載荷到達(dá)最大值，如QRI 中的EDW2，但是容易遺漏某些危險工況，如EDW1 以及EDW3 的情況就會被忽略。而如果所有的設(shè)計波均考慮到，那么計算量會變得相當(dāng)巨大。而本次采取的方法如ADJ 所示，選取任意一個設(shè)計波EDW_Selected（如本次的EDW_Selected即為ORI 中的EDW2）進(jìn)行加載，然后通過船體梁載荷調(diào)整將船體梁載荷調(diào)整到多個設(shè)計波的包絡(luò)值，從而一次性反映多個設(shè)計波的情況。

相較于傳統(tǒng)規(guī)范的方法，本方法能避免遺漏危險的工況，同時不用進(jìn)行大量設(shè)計波的譜分析等計算工作，較為簡便，適用于設(shè)計初期的強度校核工作。

2 方法驗證

2.1 驗證流程

為驗證此方法的合理性，本次擬采用如下的驗證方法：

具體驗證流程如下：

（1）分別制定使距船尾0.2L、0.3L…0.8L處垂向波浪彎矩到達(dá)最大值的7 個設(shè)計波，并進(jìn)行局部載荷加載以及有限元分析，獲取7 個設(shè)計波的應(yīng)力計算結(jié)果（HVM 工況的方法1 結(jié)果）；

（3）分別制定使距船尾0.15L、0.25L…0.85L處波浪扭矩到達(dá)最大值的8 個設(shè)計波，并進(jìn)行局部載荷加載以及有限元分析，獲取8 個設(shè)計波的應(yīng)力計算結(jié)果（OST 工況的方法1 結(jié)果）；

（5）分別比較同工況下兩種方法的計算結(jié)果，如果方法2的計算結(jié)果能包絡(luò)住方法1的計算結(jié)果，且誤差在合理范圍內(nèi)（避免太過保守），則說明本文方法正確。

圖2 驗證過程流程圖

2.2 驗證模型

本次模型采取某18 000 標(biāo)準(zhǔn)箱集裝箱船，有限元模型及局部載荷施加如圖3 所示。

圖3 有限元模型及舷外水壓力施加圖

3 驗證結(jié)果

3.1 船體梁載荷積分結(jié)果

根據(jù)制定的各設(shè)計波的有限元計算結(jié)果，通過應(yīng)力積分獲得其各個船體梁載荷沿船長的分布情況，計算結(jié)果如圖4 和圖5 所示。

圖4 HVM工況船體梁載荷沿船長分布

圖5 OST工況船體梁載荷沿船長分布

如圖4 和圖5 所示，其中Qv_x、Qh_x、Mv_x、Mh_x以及Mt_x（x 為0.2、0.25 等實數(shù)，表示距船尾的距離）分別表示按x 位置剖面制定設(shè)計波獲得的船舶各個剖面的垂向剪力、水平剪力、垂向彎矩、水平彎矩以及扭矩沿船長的分布曲線；Qv_enp、Qh_enp、Mv_enp、Mh_enp以 及Mt_enp分別表示各個船體梁載荷曲線的包絡(luò)值 ；Qv_S11A、Qv_BV、Qh_BV、Mv_S11A、Mv_BV、Mh_BV以 及Mt_BV分 別 表 示S11A 以及BV 規(guī)范中的各個船體梁載荷分布 ；Qv_targ、Qh_targ、Mv_ targ、Mh_targ以及Mt_targ表示各個船體梁載荷曲線的調(diào)整后的目標(biāo)值。

由圖4 和圖5 可見，本次的目標(biāo)值選取為多條線的包絡(luò)值，可以包絡(luò)住眾多曲線的情況；并且，本次還選取S11A 以及BV 船級社的相關(guān)曲線進(jìn)行對比，可知本次選取的包絡(luò)值和規(guī)范值在同一水平線上，即本次的包絡(luò)值設(shè)定是合理的，同時也說明全船分析僅設(shè)定一個設(shè)計波可能并不能涵蓋最危險的情況。

由于結(jié)果發(fā)現(xiàn)包絡(luò)值和規(guī)范值相當(dāng)接近，因此本文建議在缺少包絡(luò)值的前提下，可用規(guī)范值代替。

3.2 應(yīng)力計算結(jié)果

為直觀地比較兩種方法的計算結(jié)果，本次選取上甲板以及外底板的計算結(jié)果進(jìn)行對比，兩種方法的應(yīng)力云圖對比如表1 和表2 所示。為了更直觀地對比兩者計算結(jié)果，將各個工況以及方法的應(yīng)力最大值進(jìn)行提取匯總，匯總結(jié)果如下頁表3 和表4 所示。

表1 兩種方法上甲板對比表（部分）

表2 兩種方法外底板對比表（部分）

表3 兩種方法上甲板和外底板對比表（HVM工況）

表4 兩種方法上甲板和外底板對比表（OST工況）

由表1 可知，兩種方法的應(yīng)力分布基本符合該工況的特性，高應(yīng)力區(qū)出現(xiàn)的位置也基本一致；同時也發(fā)現(xiàn)，對于OST 工況，不同設(shè)計波的計算結(jié)果存在較大差異。

在表3 以及表4 中，斜體加粗值為傳統(tǒng)規(guī)范的計算結(jié)果。通過對比可知：實際設(shè)計波中存在著比規(guī)范規(guī)定的結(jié)果更危險的波浪工況；由此也說明本文的方法能包絡(luò)住最危險的工況，誤差在10%以內(nèi)，因此本方法是合理的。

4 結(jié) 語

本文提出以船體梁載荷調(diào)整和等效設(shè)計波相結(jié)合的總強度校核方法，其基本原理是加載一個設(shè)計波局部載荷，然后通過船體梁載荷調(diào)整將船體梁載荷調(diào)整至多個設(shè)計波的包絡(luò)值，從而一次性反映多個設(shè)計波的情況。驗證結(jié)果顯示，該方法的計算結(jié)果能包含多個設(shè)計波的計算結(jié)果，且誤差在10%以內(nèi)。與傳統(tǒng)規(guī)范方法相比，該方法不容易遺漏最危險的工況，而且無需進(jìn)行大量設(shè)計波計算，適用于設(shè)計初期的船體強度初步評估以及通過定性分析確定結(jié)構(gòu)的基本形式。

由于時間受限，本次僅對一艘船進(jìn)行驗證，針對本方法對于其他船型的適用性還有待進(jìn)一步研究。