测量波浪引发的集装箱船的船体梁压力超过设计值外文翻译资料

 2022-07-28 15:28:20

测量波浪引发的集装箱船的船体梁压力超过设计值

文章信息：

文章历史：2013.10.3收到

修订后的形式收到2013年12月17日

2014年2月15日接受

关键词：砰击，颤振，极端负载，船体梁应力，实尺度测量

摘要：本文论述了实尺度测量下，一艘9400标准箱的集装箱船在波浪作用下船体中部所产生的弯矩并重点介绍了水弹性高频振动对极端中拱弯矩的影响。一种极端情况是，当垂直波浪引起的中拱弯矩在船中部略超过设计值，分析和测量验证了使用测量加速度和压力之间的关系和简单梁理论。测量发现可靠。在极端情况下,冲击载荷引起的高频振动在船中部产生的垂直弯矩与波浪引起的刚体反映在船中部产生的弯矩几乎相同，因此使总纵弯矩在船中部翻倍。同样发现，尽管这艘船在受斜浪中航行，只有两个节点在垂直振动下表现的特别剧烈。在对极端事件进行分析和验证后，使用三个小时的应变测量结果建立Gumbel分布（极值分布）来预测极值。并发现在给定海况，超过了规则设计波浪弯矩的概率超过50%，这很很重要。最后，船体梁的水弹性响应通过简单近似进行评估，使用测量的统计特性和闭合形式表达式，并且发现与实际测量的一致性良好。

1、引言

近年来,集装箱船的长度逐渐增加，到今天最长的船只约400m。随着长度增加,集装箱船结构变得相对“软”自然导致船体梁的振动频率减小。船体梁的振动的重要性是关于疲劳的问题以及极端波浪诱导弯矩。

通过欧盟FP7项目TULCS（超大型集装箱船工具）提供了大约两年的9400 标准箱的集装箱船实尺度测量数据，包括测量船体梁应变，运动，导航数据和遇到的海况。 在2013年春季完成。船舶的主要数据和主要尺寸可以在表1中找到。

来自一艘9400标准箱的集装箱船约两年的实尺度测量数据包括测量船体梁应变，运动,航行数据和遇到的海况，这些数据通过欧盟FP7项目之下TULCS（超大型集装箱船的工具）获得，完成在2013年的春天。该船的主要数据和主要尺寸表1中可以找到。

水弹性效应难以解释和在当前集装箱船规范中不直接考虑。可以关注到如果由于水弹性效应的部分疏忽，集装箱船的波浪引起的弯矩的当前设计值太低。

一只船在波涛汹涌的海浪引发随机激励的船体。船体主要变得兴奋的在两个主要频率:遇到波的频率和船体两节点纵向弯曲固有频率。显然，高频(HF) 的响应与波频率(WF)的反应同时发生。如图9所示, 高频振动部分叠加到波频率部分,从而增加了总负载周期。

由于在线性，非线性和冲击波载荷同时处理准静态和动态响应的复杂性，难以在数值上预测具有前进速度的船舶上的砰击载荷，参考［9］。流固耦合可以使用三维边界元建立模型或CFD软件加上有限元程序。但直接在时域计算计算量依然非常大，参考 [13 10];尤其是在随机海洋。

船舶波激响应已经通过不同的方式已经被广泛的研究流激响应船只通过不同的手段已经被广泛的研究, 参考 [20 19]。这些文章关注于分析船舶工作在恶劣环境下实尺度测量下的应变和结构振动。显著的贡献是预期的疲劳损伤被发现以及在中拱和中垂情况下高频振动下极端应力峰值。Storhaug以及其他人［19］得出结论：振动引起的疲劳损伤与波浪导致矿砂船诱导损伤相同数量级。

尽管主要评估砰击的影响是疲劳损伤，Okada 等人 (2006) [11] 还研究了由于颤振对垂直弯曲应力的长期分布产生的附加应力，并得出结论，应该更多地注意砰击应力。一个简单的程序，用于预测集装箱船舶中极端振动诱发的船体梁荷载。 参考[6]。利用[11]进行的测量结果很好一致。

Senjanovic等人(2008) [15] 使用相当复杂的船体梁模型和三维有限元分析研究了大型集装箱船的灵活性。冲击载荷没有直接评估，但结论是颤振引起的冲击载荷是重要的。Zhu 和Moan (2012) [23] 总结说：基于两个大型集装箱船在规则和不规则波浪的模型试验分析，高频振动的贡献导致船中的垂直弯矩在中拱比在中垂方面稍微影响大。然而，总的来说：高频振动下，中拱峰值比中垂峰值增加更多。一般来说，Zhu和Moan（2012）[23]强调，应谨慎评估超大型集装箱船的中拱弯矩

表1、所用集装箱船主要尺度

载重量

总吨

LOa

Lpp

型宽

设计吃水

设计航速

113000t

99500t

349.0m

333.4m

42.8m

14.5m

25.4节

最近，五年船龄的8100 标准箱的集装箱船MOL COMFORT于2013年6月17日在也门的恶劣天气下断成两半。事件并非本文的动机，而是来自类似大小的全尺寸应变测量的分析船舶在这里提出的可以更清楚地说明水力弹性效应对大型集装箱船的垂直弯矩响应的影响。

本研究的目的是基于对来自大型集装箱船的全尺寸应变测量的分析，以评估水弹性效应对船中极端波浪引起的垂直弯矩的重要性。首先概述关于2节点垂直弯曲模式中船舶的水弹性响应的基本梁理论，并用于验证一个极端事件的测量，其中垂直波浪引起的弯曲力矩超过设计值。随后，三个小时的应变测量通过使用Gumbel分布使用Weibull参数和峰值超过阈值分析形成最可能的最大响应的极值预测的基础。最后，使用应用测量的刚体统计特性和/或闭合形式表达式的简单近似来评估船体梁的水弹性行为，以用于例如将来船载支持决策系统。

2、船舶的水弹性响应

集装箱船的设计具有大的舱口开口和高抗拉强度钢，其与增加的长度一起减小船体刚度。 相对较大的运行速度导致波遭遇频率变得更接顶浪中航行船体的固有振动频率。 集装箱船的另一个特别的设计特征是明显的船首外飘，这就可以使甲板上携带更多的货物，但也使船舶更容易受到砰击负载。集装箱船舶横剖面型线草图如图1所示。

这些因素的结果是，全局水弹性结构响应，主要是，颤振和波激振动，成为船舶设计和运行中的一个重要问题。这些水弹性响应在下面描述，本章简要概述船舶水弹性的基本理论。本文给出了船舶被认为是伯努利 - 欧拉梁的船舶的动态响应的描述，因为这里的重点在于2节点垂直弯曲模式。 然而，在数值分析中，使用更一般的Timoshenko梁（悬臂梁）。

颤振是在大的冲击负载之后的短瞬态响应，通常是砰击冲击。颤振响应在船体梁自然频率处激发并且由于结构中的阻尼和由于集装箱之间的摩擦而衰减。颤振可以通过高通滤波辨识出，例如图2所示压力随时间的变化，可以清楚看出颤振是暂时的，阻尼的响应。

图1、被考虑的集装箱船的横剖面图。 图片由TULCS项目提供。

图2、集装箱船在艏斜浪中航行，船中部高通滤波信号随时间的变化。显示了一系列瞬时砰击/颤振事件。 从9400 TEU集装箱船的全尺寸测量。

波激振动是船舶2节点垂直船体梁自然频率下的连续较小幅度的共振现象。它通常被认为对极端载荷不重要，但是可能导致疲劳损伤，因为它发生在船舶经常遇到的小和中等程度浪的状况。

水弹性响应导致的船舶结构的可能损坏有两种：由于增加的极端载荷和与重复振荡载荷相关的疲劳损伤引起的屈服和屈曲。在极端载荷下，相对于刚性较强的船，集装箱船的水弹性效应可以明显的提高船体梁的载荷幅值。正如第三章所示，在集装箱船设计和操作过程中水弹性效应与刚体的波浪诱导弯矩同样重要。

2.1自然频率和振型

在下文中，给出了在动载荷下的伯努利欧拉梁的基本方程的介绍。作出以位置x和时间t的函数的伯努利 - 欧拉w（x，t）的垂直偏转梁的控制方程为：

（2.1）

式中：

（2.2）

此外，EI（x）是抗弯刚度，m（x）是每单位长度的质量，包括附连水质量。如在干和湿的情况下固有频率接近。 表2中，水的添加质量几乎等于船的排水量，但这也相当普遍。叠加可以用于描述梁的偏转偏移。每个变形模式的特征都有与固有频率相关联的特征函数。这里，只有一个术语，被包括在2个节点垂直模式。图2中所示的2节点垂直弯曲模式。 图片3在这里被认为是考虑波浪振动时最重要的模式。这个假设将从第3章中对实尺度测量的分析中证明。

表2、计算船体的干湿自然频率。来自参考文献[7]

垂直弯曲2节点，干

垂直弯曲2节点，湿

垂直弯曲3节点，干

垂直弯曲3节点，湿

0.67HZ

0.47HZ

1.38HZ

0.98HZ

假设船体的偏转可以通过2节点振型来描述仅仅意味着：

（2.3）

2节点振型和对应的固有频率可以通过公式（2.1）中设定p=0来确定。同时 产生特征值：

（2.4）

与自由端的边界条件：当x=0时，。L，L为船长。方程（2.4）产生的特征街是和对应的值。

公式（2.1）的一般解可以通过将公式（2.3）带入（2.1）乘以然后在船长方向积分：

（2.5）

将公式（2.4）带入公式（2.5）左边：

（2.6）

其中M2是模态质量：

（2.7）

通过除以M2并引入

式（2.6）可以写作

图3、所考虑的集装箱船体的2节点垂直弯曲模式。 图片由TULCS项目WP.4提供。

最后，可以添加经验阻尼项以得到结果表达式：

（2.8）

等式 （2.8）确定船体梁响应随着砰击负载p（x，t）的时间变化，并将在第三章中用于实尺度测量验证研究。

2.1.1两节点振型

使用内部非线性带理论代码SHIPSTAR（见参考文献[22]）确定船舶的2节点垂直弯曲振型，船体被建模为具有实际刚度的弹性非均匀Timoshenko梁， EI（x）和质量m（x）沿着船体长度变化，包括附连水质量。振型如图4所示，并与法国船级社利用有限元建立的梁模型相比，发现两者几乎相同。 使用最小二乘法拟合图4振型的得到6阶多项式，可以近似为：

（2.9）

其中x是离船尾的距离。一介导数是转角，二阶导数是曲率。当然，后者必须在船的两端为零，这不是等式（2.9）的近似的情况。然而，如第3章所示，这在本文研究中并不重要，二介倒数只需在船中部。

由法国船级社与TULCS项目提供船舶在干湿情况下垂直弯曲的自然频率如表2所示。在湿情况下的自然频率可以由实尺度测量得出，如图6和[7] 确定，其中可以看出两节点自然垂直振动频率3rad / s（0.48Hz=2s）。3节点垂直振动频率可以从图7中的半对数图中查的并且与表2中的计算值一致。但是与2节点振动相比，在此频率处的能量没有那么大。

图4、使用Timoshenko梁（悬臂梁）模型确定的所考虑的集装箱船的归一化2节点垂直弯曲模式。

图5、由法国船级社测定的所考虑的集装箱船的归一化2节点垂直弯曲模式，尾垂线处x=0。 来自参考文献 [7]，RX表示来自实船的数据。

2.1.2结构阻尼

由于集装箱之间和绑扎系统中的摩擦，集装箱船的结构阻尼比其他船类型的高，因此大型集装箱船的阻尼也比小型集装箱船的阻尼更大。 然而，阻尼仍然非常低并且为临界阻尼的1-3％的量级。例如参考文献 [20]。

3、实尺度测量垂直波浪引起的弯矩

本章的重点将是分析和预测在实尺度测量中极端波浪引起的船体梁负载通过垂直弯曲。梁理论将用于实尺度测量的验证。

在2011年10月2日，该船在接近香港时经历了一场风暴，此时船舶航速约10海里每小时，由船上波浪雷达估计此时波浪高度约为8米，斜浪来自右舷船首方向。

船中部应力使用两个长基底应变计获得，两个长基底应变仪安装在左舷和右舷侧的通道和船中附近船中（距离尾垂线 167米）和基线上方25.7米的甲板下方。 在所测量的时间段内，可以从所测量的纵向应变的随时间变化的序列中找到几个大的应力响应振幅。拉应力是正的，既传感器拱起始正的。图6是从16时后测得半个小时的信号。

图6、应力时间历史（一小时）从9400 TEU集装箱船在粗糙的海中的FFT。 在2节点垂直模式下的振动在约0.48Hz处可见。

图7、在波涛汹涌的大海中航行的9400标准箱的集装箱船，压力进行傅里叶变换后的的半对数图（一个小时）。在2节点垂直模式下的振动在约0.48Hz处可见，并且3节点垂直振动频率可在约0.

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