现代船舶向大型化发展, 传统的规范并不能够完全满足这些船舶设计的需要。为此,船级社规定结构的直接分析可以作为船体结构规范设计的一种补充手段, 开始了基于整船有限元分析的强度计算评估。
ABS 提出DLA(Dynamic Loading Approach)方法, DNV提出CSA(Computer Ship Analysis)方法。两种方法的关键是船体波浪载荷的确定方法, 他们均采用二维或三维线性波浪载荷程序直接计算确定等效的波浪载荷方法。中国船级社在全船直接计算分析方面已经进行了多年的工作。在波浪载荷的计算时,根据线性波浪载荷程序的计算结果提出设计波方法, 本文主要介绍这种方法。
确定主要载荷参数
行进在波浪中的船舶所受的波浪外载荷包括:垂直剪力、垂直弯矩、水平剪力、水平弯矩及扭矩等。对应不同的波浪外载荷, 船舶的应力响应有不同的特点。以集装箱船为例, 当船舶所受到的波浪垂直弯矩达到最大,此时船舶还受到垂直剪力等波浪外载荷, 船舶最大的应力响应发生在船体的甲板和船底部位;当船舶所受的波浪扭矩达到最大, 此时船舶还同时受到垂直波浪弯矩等波浪外载荷,但此时船舶最大的应力响应发生在船舶的舱口角隅附近。
因此在船体直接计算分析中可以选定其中的一种波浪外载荷为主, 该选定的波浪外载荷称为船舶响应计算的主要载荷参数(Dominant LoadingParameter),此时其它几种波浪外载荷均从属于主要载荷参数,从而根据主要载荷参数计算船舶不同的应力响应。
对于集装箱船等大开口船舶而言,主要载荷参数可以选取垂直波浪弯矩、水平波浪弯矩和扭矩、垂向波浪剪力和水平波浪剪力。
计算主要载荷参数的频率响应函数
频率响应函数(Frequency Response Function) 指的是船舶在单位波幅规则波中的各载荷参数的响应(如垂向波浪弯矩、水平波浪弯矩、波浪扭矩等) ,可以比较直观地确定船舶在某一波长的设计波中某类波浪外载荷(如垂直弯矩)达到预期极限时船舶所处的状态。
要达到该目的,需要对系列不同频率的设计波进行计算,根据频率响应函数中所关心的载荷达到极限所对应的设计波的频率确定出波浪的波长以及波峰距离船中的位置。建议所取的航向角范围为0 ～180°(迎浪为180°),步长为15°,设计波的频率从0 .25 ～1 .8rad/s,步长为0.05 rad/s ,根据广泛的计算得出船舶在设计波波系中的受力状态。由于计算的波浪组合很多,可以编制程序来做上面的工作, 将不同航向角下船舶给定位置所受的载荷参数的最大幅值、相位以及波浪频率和波长用表格的方式打印出来。
