柔性骨架模型船体梁振动的弯曲与扭转试验研究外文翻译资料

 2022-07-28 15:26:26

应用海洋研究

柔性骨架模型船体梁振动的弯曲与扭转试验研究

摘要

几十年来，虽然开放式船舶的耦合水平扭转振动进行了数值研究 ，可用的实验数据在倾斜的海洋仍是罕见的。考虑自然弯曲和扭转模式的频率，模型试验已在船舶和海洋结构中心（CESOs）在拖曳水池和海洋盆地进行。一个柔性骨架模型被五个铝合金梁的顶部侧切，以实现约扭转刚度以及垂直和水平弯曲刚度。本文主要研究测量的弯曲和扭转规则波和不规则波的振动。阻尼比、振型和模态矩来自实验数据，建立了一种基于模态叠加的数值模型

根据测得的弹性性质。进行了一些时域仿真考虑结构特点，并与实测结果进行比较。定期测试数据波显示的振动的影响的可能因素。在本文的结尾对弯曲的影响在不规则波的极端响应值的扭转振动估计的不确定性实验进行了讨论，并得出结论。

1.介绍

随着全球经济和贸易的发展，更大更快的商船被设计来提高运输能力。主要尺寸的增加使船舶更加灵活，高速的要求使入射波频谱的接触频率更接近船舶柔性模态的湿固有频率。由于船体结构动力效应更加显著，传统的船体刚度处理方法不再适用。水弹性分析提高分类规则，确保船舶的安全是必要的。扭转模态和垂直弯曲模态的最低湿润固有频率可作为低至0.5赫兹的船舶长度约300米及以上。 这意味着船体振动，如击振和弹振可能会更频繁地发生。森佳诺维卡等人[ 1 ]表示最低弹性固有频率通常与开口截面船舶有关，如集装箱船的弯扭耦合振动。到目前为止，船舶的扭转振动与垂直弯曲振动相比没有得到足够的重视。

采用有限元分析方法，对集装箱船的扭转强度进行了有限元分析，并用有限元分析软件求解了水动力问题。垂直弯曲应力，翘曲应力，水平弯曲应力相结合，估计总船体梁的纵向应力。水平应力和垂直弯曲应力的翘曲应力修正系数和应力与翘曲及水平应力的共同作用被广泛研究。Miyahara等。[ 4 ]在几个地点内的船体为6500 TEU超巴拿马型集装箱船的出现了全面的纵向应力。他们介绍了一种将纵向应力分解为垂直应力的方法，弯曲、翘曲和水平弯曲应力。翘曲应力约为纵向弯曲应力70%和水平弯曲应力小于翘曲应力。Aalberts和Nieuwenhuijs [ 5 ]报道典型的击振事件从货物/集装箱船的全面测量，在砰击诱导水平振动的观察。所有这些结果表明，砰击不仅会引起垂直弯曲模态的扭转响应，而且会引起扭转和水平弯曲。有人怀疑，高频振动可能更显着扭转模式比大型集装箱船的水平弯曲模式，因为扭转刚度一般低于水平弯曲刚度。

全球船体梁振动通常被确定为弹振和击振，这通常是保留的对称垂直振动。

有时，摆动这个术语用于水平平面的振动。弹振与共振振动有关。它可以是线性的或非线性的，取决于激发源。击振是波浪冲击的瞬态响应，如弓击砰击、底砰击或砰击，弹振振动有助于疲劳损伤，而击振则与极端响应值有关。然而，在全面的测量或模型试验，它是很难将它们彼此分开的。

到目前为止，数值计算和实验结果或全尺寸测量之间的垂直弯曲振动的比较似乎并不令人满意。storhaug等人[6]采用了四种数值方法对某油船进行了振升响应分析，并与实测结果进行了比较。不仅实验数据和数值预测之间的差异，但也观察到显着的数值计算之间的差异。drummen等人[7]发现，数值预测的总疲劳损伤的中船段约50%，高于实验确定的损害。当然，疲劳损伤更敏感的响应水平。至于扭转振动，数值预测是很少和远之间，结果更不可靠。因此，实验数据可以提供更多的信息的扭转振动及其对船舶设计的影响。

最近公布的柔性容器模型试验见表1。大多数的模型试验研究竖向弯曲振动垂直弯矩的影响（VBM）。奥卡等人[ 12 ]测量截面的扭转力矩（TM）、横向弯矩（HBM），连同VBM在斜浪，而扭转和横向弯曲模式对于现实的容器的固有频率似乎太高。雷米等【8】测量一个非常灵活的驳船模型没有速度的水弹性响应，并对实验结果进行广泛用于验证数值预测码。然而，这种驳船模型试验主要用于调查线性弹振，和刚度是真的太低，与现实的船只相比。铰接模型，其扭转刚度，垂直和水平弯曲可以在多个节点的调整，storhaug等人描述道[ 16 ]。基姆等【14】建立了一个能模拟扭转固有频率的骨架模型。然而，在这些文件中扭转反应的信息有限。

横向振动对HBM和TM的影响，结合竖向弯曲振动对VBM的影响，应对开放船进行调查。骨干模型已经建立了模拟扭转现实的自然频率，垂直和水平弯曲模式。缩尺模型的设计已经在扭转和弯曲振动全面开放船相似，虽然翘曲应力不能直接导出测试结果。从衰减试验中导出了空气和水中骨干模型的动力学特性，并与数值计算结果进行了比较。基于比较，数值模型考虑的灵活性的骨干船体。由于骨干模型的波频率响应已经详细介绍了，本文侧重于各种振动模式。在模型试验中观察到扭转和弯曲振动。本文讨论了可能的激发源。对TM和HBM的极端值，横向振动的影响是不规则波的研究。实验结果和预测WINSIR代码几例比较。WINSIR是一个非线性水弹性编码的建立和吴进一步发展22,23]，基于Salvesen等传统的二维切片法。和高速2.5d片条理论由Faltinsen和赵提出[ 25 ]。总时域频率运动和负载效应是由线性和非线性修改部分。线性部分采用和二维频域势流理论计算和带，从频率域转换到时间域。非线性修正部分是在时域上得到的线性脉冲响应函数的卷积和非线性修改力，其中包括非线性修改的恢复力和非线性准静态修改的入射波力在垂直平面上。在甲板上的绿色水的准静态效应也占。高频弹振计算在频域和后转换到时域。线性脉冲响应函数和非线性砰击力的卷积得到的高频击振。过程中采用了混合的方法。干模态形状可以使用标准的有限元软件进行评估，或梁的简化方法，它已经被集成到veres-les.slamming冲击力计算二维截面沿船体入水运用动量和确切的身体边界条件对桩水一些修正保护（喷）。总非线性的垂直运动和速度被用来在每个时间步长，以确定所有的非线性修改力。为了计算模型的船体模态形状，采用latwab代码（吴[ 26 ]）。latwab可以进

行线性动态模式分析以及非棱柱形薄壁梁的静力响应计算。它能够处理截面的不连续性，并考虑到内部翘曲抑制效果。

2.实验装置

在特隆赫姆海洋技术中心实验室进行了拖曳水池和海洋盆地的模型试验。骨架模型的长度是5.8米，相当于两柱间全面的长度（LPP）290米的一个假定的1:50。车身线如图1所示，主要资料见表2。图2显示了船体质量、重心、回转半径和剪切中心高度的纵向分布。

所设计的灵活的船舶模型具有相似性的垂直和横向振动的长度约300米的全尺寸的开放式船舶。建立的比例骨干模型的过程中详细描述。这里采用的是主干方法，而不是铰接模型或完全弹性模型，因为制造相对比较方便。缺点是，相对于扭转载荷的翘曲应力不能直接测量完全弹性模型相比，它是难以调整的船体柔性铰链模型相比。骨干模型由17个部分（一个弓，一个船尾段，和15个箱形段之间）。所有的段连接的铝骨干梁顶部。该模型的特点是一个非常长的平行中间体，几乎矩形截面。有五个矩形开口的铝梁的顶部侧，以减少的扭转刚度，使现实的固有频率的扭转模式，以及垂直和水平的弯曲模式。

横截面的荷载效应，如VBM，HBM，和TM，是从S1到S7七次横向切割测量，如图3所示，对应0.16 0.32 0.42 LPP，LPP，LPP，LPP 0.68 0.58，0.78和0.89的LPP，LPP，LPP从尾垂线测量（美联社）。本文主要研究了S3的截面荷载效应，因为它靠近中间截面。的局部坐标系中的负载效应的原点位于中心平面和23.63米以上的基线。进行校准测试，以确定有关的应变测量的横截面负载效应的因素。

空气中的衰减试验进行了完整的模型支持七对弹簧。弹簧的刚度进行了调整，使他们不影响船体梁灵活的方式在任何重要的方式，如图4所示。在平静的水也进行了相应的衰减测试。附加质量对固有频率的影响，并进行动力学模态阻尼。

模型试验的主要目的是研究船舶在波浪中推进时的垂向和横向振动。为了研究振动的激励源，规则波试验已经进行了在不同波段，VBM和TM的谐波响应的波高，船的前进速度。本文中所用的规则波条件列于表3。航向角是影响截面载荷效应的关键问题之一。分析认为在头海域最为严重，波频TM和HBM被认为在头海域航向角30–60◦达到其最大值。砰击引起的横向振动通常依赖于砰击的频率和强度的影响。砰击发生更频繁，更严重的航向角0 - 30◦头海。因此，0◦，30◦，45◦和60◦用于不规则波试验。在每个不规则波的条件下，使用相同的频谱进行了足够的运行，以获得一个完整的记录长度超过45分钟。这个持续时间被认为是足够的，以实现足够的可靠性，在统计和光谱分析。运行次数取决于容器的速度和可用测量的长度。本文给出的详细的不规则波条件见表4。该表的显著波高HS和波峰周期Tp是有针对性的值。由于波校准没有进行，真正的HS和TP产生的不规则波可以偏离目标。此外，所有的模型试验进行了长波峰波。

3.水弹性特性

3.1建模

在空气和平静的水中进行衰变试验，用锤子撞击悬挂的模型。测得的响应时间序列的船体梁振动带通滤波，使灵活的模式可以单独研究。固有频率、阻尼比，在VBM，HBM条款模态形状，TM可以得到滤波后的信号。

固有频率和振型的准确测定对了解骨干模型和跳跃及鞭状响应数值预测的弹性特性有重要意义。这是直接获得的衰减测量的横截面负载效应的测量的固有频率。然而，它是，难以直接从测试结果导出的模态位移。只有三个加速度计被安装在了垂直（FP），中部，和AP测量的垂直加速度。此外，两个加速度计分别用于测量纵向和横向加速度。他们位于FP和AP。七个不同的纵向位置沿骨干模型测量的横截面负载效应可以更好地反映骨干模型的弹性特性。

建立理想化的物理模型的结构和骨干惯性特性足尺结构模型。在一维梁模型（latwab），船体被离散成阶梯薄壁梁每段建模为等截面梁元。线性动态本征模态分析进行了考虑的横截面的不连续性和内部翘曲抑制效果。三维结构模型最初是利用有限元软件ABAQUS 6.8产生（http：/ www.simulia .com /），如图5所示。详细的结构组件和质量分布进行了适当的建模。

附加质量效应对灵活的方式很重要。基于干模态和固有频率，湿润的自然频率可以通过使用WINSIR计算。Riska和Kukkanen [ 28 ]表明三维效果可能比在附加质量计算的前进速度更重要。这是费时的分布质量计算的三维水动力求解器在船体周围的有限元模型计算的惯性压力的比例。李[ 29 ]提出用声学单元对水单元进行建模，使附加质量对湿振频率的影响可以直接计入。如图6所示，在半圆筒的外表面上施加一个不反射的条件，以模拟半无限范围的水，和一个总的反射条件被施加到在平静的水的自由表面的水元素的边界。流体元件和骨干船体之间产生的相互作用表面，并适当考虑的惯性压力。声学元件密度为1025立方英尺，杨氏模量为2.2 GPa。该模型主要包括四种元素。周围的流体由294691个八节点单元（3times;3times;3米左右）和168的六节点三角形棱柱元。大约25000的四节点矩形壳单元（2times;2 m左右）形成的飞蚊症表面。有41674个四节点矩形壳单元（0.5times;0.5 m左右）在铝梁。此外，在100点的质量元素附着在漂浮物模拟压载。

3.2.固有频率和振型

测量和计算空气中的干燥固有频率见表5。计算值与实测值之间的相对差在括号内。分析结果是相当接近的测量而latwab预测是不准确的。因为他们对铝梁的顶面五孔，这是应对LATWAB开放部分封闭路段之间的不连续性而麻烦。这种铝梁的横截面形状可能不保持刚性，特别是打开的部分。此外，铝梁下的铝合金板，连接顶梁的漂浮物，还提供一定的抗扭刚度对整体结构自板与横梁焊接在

一起。然而，它被认为在一个近似的方式在latwab模型。因此，三维ABAQUS模型更可靠。在本文的其余部分中使用干燥的固有频率和模态形状ABAQUS。

湿的固有频率见表6。计算和测量的湿固有频率之间的百分比差异。ABAQUS计算的湿固有频率与实测值比较接近，证明了附加质量的三维效应。在WINSIR计算，干干模态固有频率和ABAQUS作为输入。文献中讨论的第一垂直弯曲模式。条形理论通常给出了第一垂直弯曲模态的较低的湿固有频率。增加的质量的贡献的固有频率的扭转和水平模式是不太明显的垂直模式相比。类似的趋势已经由hirdaris等人报道。

为了进一步验证计算结果的准确性，测得的模态矩也与计算出的相比，结果示于图7。所有的值在图中的归一化的最大测得的阳性值。测量结果得到的衰减试验，而计算结果来自沿应力分布沿每个横截面的有限元模型。所有截面弯矩的测量结果与实测值吻合得很好，实测的干湿断面弯矩差异较小，计算结果反映了实测结果。此外，截面系数列于表7，将用于在WINSIR。时获得的变形是在大众化方面是那些价值。

由于没有足够的加速度计安装在物理模型，测得的模态形状的位移没有提供。计算的模态形状在图8中进行比较。ABAQUS干的结果与那些从latwab吻合得很好，虽然某些差异存在。干湿有限模态形状比较接近，尤其是扭转和横向模式。一维的模态形状来自三维ABAQUS有限元模型的方法被呈现出来。

3.3.阻尼比

阻尼比在高频振动中起重要作用，因此对疲劳损伤有显著影响。可以使用三种方法从模型试验确定线性阻尼比，通过storhaug [ 31 ]和drummen等人提到。[ 7 ]。第一种方法是自由振动衰减测试，其中两个正峰与N个周期的距离被选择来计算的阻尼比。这种方法是非常简单的，但不是严格的，如果时间序列是不规则的高阶振动。在第二种方法中，包络过程被安装到正峰值，而第三种方法是基于拟合整个谐波衰减曲线。图9显示了使用第二和第三种方法的例子。阻尼比见表8。对于第一扭转模式，在空气中的阻

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