在船舶工程中,各载荷分量之间的组合,是个比较复杂的问题,曾有不少学者做过论述。加拿大学者Turkstra 提出的组合规则是:组合载荷的最大值出现在可变载荷中的一个达到使用期中的最大值,而其他的可变载荷采用相应的瞬时值 。船舶工程中的设计波法即是基于Turkstra 原则提出的。考虑船舶结构遭受的各种可变载荷( 如垂向弯矩,水平弯矩,垂向剪力,水平剪力等) ,当其中某一主要载荷 ( 控制载荷参数) 达到最大值时,其他载荷取为相应的瞬时值。设计波法的关键在于如何合理地确定以控制载荷为基础的规则波的各个参数( 包括波幅、浪向、频率等) ,使按它计算出来的船体应力范围能代表实际船体航行过程中对应一定超越概率水平的应力或应力范围。目前,ABS,DNV,GL等已在船舶直接计算中采用设计波法来对各种载荷分量进行组合,但方法并不统一。
海浪诱导的船体结构响应可以通过1 个或几个主要的控制载荷参数来反映。主要控制载荷参数一般有:总体载荷影响包括垂向弯矩VBM、垂向剪力VSF、水平弯矩HBM、水平剪力HSF、扭矩TM 等;运动以及局部动力响应包括首部的垂向加速度、重心处的垂向加速度、重心处的纵向加速度、船舯板格处最大波动压力等。选择哪些控制载荷参数主要取决于具体结构受力特点及结构的应力响应特点。
根据结构受力特点及结构的应力响应,确定控制载荷参数后,为了得到具体的控制载荷参数的最大值及其他载荷成分的瞬时值,还需进一步确定设计波的浪向、频率、波幅、相位等,具体过程如下:
1)频率和浪向
选定控制载荷参数,应用三维波浪载荷程序计算船舶在指定工况下各个控制载荷参数于不同浪向下的频率响应函数,及控制载荷参数的长期值。在浪向和波频范围内搜索,其中控制载荷参数的幅频响应最大值对应的浪向和频率即为由该控制
3)相位
由于相位的影响,不同瞬时设计波对应的各载荷成分的组合是不同的,因此在确定设计波的各要素后,要进一步根据控制载荷参数的相位,选定某一计算瞬时,使其对应着选定的主要载荷参数达到最大值的时刻。综上所述,确定设计波的流程为: 选定装载工况→确定控制载荷参数→计算控制载荷参数的频响函数→计算控制载荷参数的长期值→确定设计波各要素→给出设计波下各载荷成分的计算值。