考虑全球水压振动，船舶在严重 海况的结构响应外文翻译资料

 2022-07-28 15:29:04

考虑全球水压振动，船舶在严重

海况的结构响应

关键词：有限元分析 水弹性 非线性负载 准静态分析 三维模型 弹跳

摘要：在本文中，提出了一种一致的结构分析程序来估计全球和局部载荷效应考虑在巨浪中的对称和反对称水波弹性振动。该程序包括运动分析，然后是结构分析。首先，通过模态方法的运动的系统方程被建立并在时域中求解。在负载评估中，不仅线性而且非线性力在伯努利理论中的二次分量和由于润湿表面的波动引起的非线性，从结构分析的角度可能具有高优先级，通过使用三维势理论来考虑。结构分析结果的准确性取决于模型之间的一致性以及每个阶段本身的分析的准确性。为了保持一致性，质量项和模态力是基于FE进行评估模型的所有质量属性的整船有限元模型以及对同一模型的模态分析结果。然后，考虑动态放大效应，惯性力量和静态压力分布在指定时间步骤应用到有限元模型。该程序适用于大型集装箱船，本地和全球效果进行评估，扭转模式下的波动分量，或发现扭转扭矩。

第1章 介绍

多年来，船舶结构的设计基于允许应力方法，其中在应力方面的负载效应通过规则书中规定的方法估计并且基于屈服和屈曲强度与允许的应力标准进行核对。然而，根据极限状态设计方法的进展，这种方法似乎有希望可以被更直接的方法或通过分析设计来替代，其中在多个设计极限海况下估计的最大负载效应被确认为低于强度能力。在本文中，报告了船舶对巨浪的水弹性负载的载荷效应的分析方法。

弹跳和搅打的水弹性振动的问题一直是人们关注的问题。当考虑到在尺寸和速度变得越来越轻的集装箱运输船和快速渡轮的发展情况时，水力弹性的问题再次吸引更多的工程师的兴趣。随着在这种船上使用的监测技术的进步，已经报告了全尺寸测量的结果。Cusano等在快速渡轮上进行了全面测量，重点关注撞击效应。Storhaug和Drummen等得出结论，高频振动可能占全部测量结果和数值比较的累积疲劳的一半。Miyahara等还测量了在最近的6400TEU的集装箱运输船上的弹跳/搅动反应。

这个问题也促使科学家们开发水弹性理论和分析工具。在20世纪70年代中期，Bishop等人提出了基于带状理论的模态方法的线性水弹性理论。Jensen和Pedersen 提出了一个水力弹性理论，可以解释不规则海域的非线性船体梁响应。Yamamoto等人开发了一个考虑由静止水面以上和以下的几何形状产生的非线性的水弹性以及撞击冲击的时域水弹性代码。他们的结果是根据实验结果进行验证，在水弹性分析中，非线性力的评估是很重要的，因为它们可能引起柔性模式的激发。这些非线性水弹性理论已被接受作为更合理的基础分析工具，许多研究人员已经开发了数值分析代码（Watanabe等，Xia和Wu等人）。

在上述代码中，一束理想化用于结构建模以解决全局水压响应。他们大多数的目标只是在海洋条件下的反应。设计者在早期设计阶段估计大型海浪中水力弹性的影响是很重要的，并且梁理想化和良好的非线性板理论从这个角度可能是非常有用的。 然而船舶本质上是由许多板和扶强材组成的复杂的三维结构。然后，同样重要的是预测复杂结构系统的响应，同时考虑对称和反对称振动中的三维水弹性以及纵向和横向构件之间的结构相互作用。

因此，应首先考虑结构的三维性。本发明的水弹性理论通常可以应用于考虑对称和反对称振动的三维结构。还有几个他的研究方法是广泛用于基于全船有限元模型的三维振动模式。例如，Hirdaris等人基于三维结构理想化分析了具有或不具有甲板开口的散装货船的结构响应，并且比较了从Timoshenko波束理想化获得的结果，以便阐明结构建模对船舶水波弹性行为的影响。据报道，观察到反对称模式的显著差异，而通过两种方法的对称响应几乎一致。

还应考虑流体动力学的三维性。带状理论基本上假设二维流体动力学散射，可能对三维的部分校正。虽然必须认同带状理论是有效的和实际有用的，三维理论是有利的，因为它们自然地假定三维散射，这可能是在斜海条件下的响应分析更合理。Miyake等人的三维代码给出了在倾斜海上船上的扭转载荷比带状理论更准确的估计。

三维流体动力学理论的发展也与水力弹性响应的分析方法相结合。现在，使用线性边界元方法来估计三维流体动力学负荷并不罕见。例如，Hirdaris等人使用了基于潜在理论的三维奇点分布方法，Du等和Okland等人应用边界元方法和有限元模态方法研究双体船的水弹性问题。单独估计对甲板撞击的响应，并叠加到谐波响应。在过去几十年中，已经投入大量努力来考虑流体动力学非线性和船舶运动（参见Kim等人的报告）。Tian等人为船舶结构开发了非线性水弹性理论，并将这种方法应用于SWATH船，结构响应简单地通过使用模态叠加来估计。

直到现在，用于直接结构分析的最成功的系统可以在挪威船级社（DNV）的WASIM和Lin等人的LAMP系统中找到。在LAMP系统中，可以通过采用混合源公式考虑船周围的非线性自由表面条件，其中远域通过格林函数法求解，近域通过Rankine源法求解。压力和惯性载荷可以直接应用于三维有限元模型，以获得线性和非线性波载荷的应力。由于抨击搅拌效果是单独考虑动态梁计算。然后,对波浪载荷和压力叠加。这种技术似乎只有当刚体运动和弹性振动之间的干扰可忽略时才有效。

在本文中，提出了考虑三维水弹性的线性和非线性荷载下结构响应的一致程序。该过程可以分为两个阶段。在第一阶段，进行大波浪中的运动的动态计算。在第二阶段，通过施加在第一阶段估计的压力和惯性负载进行结构分析。在这种情况下，它类似于WASIM或LAMP系统。然而，当前的程序一致地包括在第一和第二阶段中的柔性模式及其对刚体运动的干扰。

第2章 理论背景

2.1响应分析程序

该程序包括第一阶段的运动分析和第二阶段的结构分析。最终结构分析结果的精度取决于每个阶段的分析的准确性以及每个分析中采用的模型之间的一致性，因为每个阶段中采用的模型的差异可能导致不平衡负载，并且不平衡负载会降低结构分析结果的精度。为了保持模型之间的一致性以最小化最终阶段中的不平衡力，通过使用共同的几何形状，刚度属性，质量属性和网格来在分析步骤之间共享一个模型，压力被积分在该模型上。本程序经历结构分析的几个步骤，即模型制备，模态分析，流体动力学分析，运动分析和结构分析。整个过程如图1所示。

准备一个三维有限元模型。该模型包括船舶的质量，压载和货物以及整个船舶的刚度属性分布。

在有限元模型上提取特征值和模式。在本分析中，采用在ABAQUS中实现Lanczos方法。

获得包括刚体和柔性模式的辐射和衍射压力。在本研究中，采用基于线性势理论的奇点分布法。

通过模态方法计算动态响应。右手侧的力矢量或模态力通过将流体动力学和静水压力以及重力积分在三维有限元网上来计算。也可以考虑力的非线性。左手侧的惯性力对应于在特征模式分析中获得的广义质量。方程系统通过时间推进步骤求解。

通过在三维有限元模型上直接应用瞬时压力和惯性分布，计算适当边界条件下指定时间的结构响应。由于力在先前运动计算中是自平衡的，并且压力和惯性模型，几何形状和啮合在整个过程中是相同的，所以不平衡载荷原则上保持最小。

该方法的理论背景在下面的部分中描述。

2.2运动方程

一般来说，船舶的刚体运动可以用欧拉方程表示。如果假设转动惯性的非线性项可忽略，则它们可以通过参考其重心表示，

其中m是质量，Ixx，Iyy和Izz分别是相对于x，y和z轴的Izx交叉力矩的惯性矩，fi（i = 1-3,4-6）是一种外力在x，y，z方向和绕x，y，z轴的力矩。由于船舶结构通常有一个平面的对称，所以假设x轴包括在该平面和z轴垂直方向上。矩阵形式的方程为：

其中M是质量矩阵。a和F分别是位移矢量和力矢量。

上面的等式在右手侧的力矢量的评估中通常是非线性的。它可以在时间t = t △t时以增量形式重写，只考虑变化的一阶分量，

其中Ma，B和Kr分别被解释为附加质量矩阵，流体动力阻尼系数矩阵和恢复力矩阵。这意味着这些关系适用：

即使当考虑柔性模式时，上述也是正确的。为此，采用模态方法，然后假定结构的位移u被表示为特征向量和对应的模态坐标的乘积的和。

其中Omega;i是相对于第i模式的特征向量，对于刚体运动是1~6，i大于等于7用于具有对应于结构系统的总自由度的尺寸的弹性振动。如果结构质量矩阵和刚度矩阵分别表示为Ms和Ks，则特征向量必须满足以下关系。

其中lambda;i表示第i个模式的特征值，其与特征频率fnof;i相关为lambda;i=（2pi;fnof;i）sup2;。然后，相对于模态空间中的弹性振动的运动方程(ige;7)可以表示为，

其中。 然而，在这种情况下，fnof;i=F是结构的每个节点处的节点力矢量。即使对于刚体运动模式，表达式也成立，方程（8）类似于方程（3）。公式中出现的项Cij。（8）表示结构阻尼。如果采用Rayleigh型结构阻尼，结构阻尼矩阵表示为Cs = alpha;Ms beta;Ks，因此

然后，以矩阵形式包括柔性模式的运动方程可以以增量形式写成，

如果采用数值积分方案，Delta;aring;和Delta;auml;可以表示为Delta;a,,aring;和 auml;。方程（10）一旦给出初始条件就容易解决。

模式负载由第i个模式给出，

其中p表示表面载荷或压力，n方向或向外的法向矢量，S区受压力，Rho;s·g=（0，0，-Rho;s·g）为Rho;s·g向量表达式中的结构比重和V体积。从压力和重力以外的源产生的力表示为fnof;#39;。

应注意，在移位位置处评估考虑回复力和高阶力。即，基于瞬时位置评估压力p，并且类似地在每个时间步长更新法向量。

2.3水动力作用

虽然式（11）不采用任何特定的流体动力和静压力的表达，为简单起见，采用基于势能理论的三维面板法。对潜在理论做出了通常的假设，即流体是非粘性的，非压缩性的，非旋转的。考虑一艘船，以恒定的前进速度U在具有小波振幅的振荡正弦波中移动，并且在坐标系o-xyz中遇到波圆频率omega;，使得x轴沿船的前进方向，z轴在右手系统中向上。原点在静止水线位置处刚好在船的重心的上方或下方。

入射波圆周频率omega;0，波数k，速度U和波浪方向（对于海面= 0°，迎浪= 180°）和遇到波圆频率omega;的关系由下式给出：

假设船体具有小振幅和遇到的波频率的振荡运动。船舶周围的波动潜力可以用时间依赖项表示：

其中为复合入射波电位，为入射波的散射电位，为第i种模式单位速度运动的辐射单位，包括弹性模态。另一方面，表示静水中前进速度的稳定贡献，

这些势能必须满足拉普拉斯方程和边界条件。边界条件为：自由表面的运动条件和动力学条件; 等式（15），无穷远处的辐射条件（16），海底条件；方程式（17a-c），船体表面条件。

其中表示在简化之后的所谓m项，其中m =（0,0,0,0，，-,0,hellip;，0）和n=(,,) 是润湿表面上的外向法向量。灵活模式的船体表面边界条件的一般表达式可以在参考文献中找到。

已经致力于解决这个问题，严格考虑自由表面条件，方程（15）。在本研究中，对Papanikolaou和Shellin的自由表面条件进行了简化，采用Green函数法进行碰撞频率校正。一旦获得总压力，总势能可以用时间序列表示，

流体动力学压力是基于使用伯努利方程的表达式表示的。

以上包括一些重要的非线性成分。非线性对于船舶的结构响应分析是很重要的。已知在下垂和弯曲力矩之间存在大的差异，特别是在具有较小块系数的船舶的情况下。这种不对称性归因于两个原因。一个是由于前进速度的存在引起的压力主值的变化，另一个是由于湿润表面和二次分量的波动。关于前进速度和速度二次分量的分量已经出现在等式（19）。

假设基于一阶量考虑由于波动而引起的非线性效应。静水线下方和上方的压力分布被修改如下（参见图2）。

基于线性计算来估计静水线以下和以上的流体动力学压力。相同的压力值被分配给静止水线上方的船体表面上的点作为该点下方的静止水线处的值。

增加流体动力学压力和流体静压力作为总压力。

如果总压力计算为负，则其被截断为零。

因此，图中所示的总压力分布被考虑用于压力积分。静止水线以上的总压力根据45°直线确定。一旦给出总压力分布，所有模态力根据方程式（11）。

图2 假设横截面内的压力分布

2.4结构分析

国际船级社协会（IACS）对油轮和散货船（CSR）的共同结构规则要求通过三维有限元结构分析进行强度验证。这种评估是通过静态施加载荷的准静态方法进行的。对结构模型， 在此考虑相同类型的准静态方法。也就是说，所有的压力和惯性载荷施加在结构模型上，然后对适当的边界条件进行静态结构分析。

重要的是，在有限元结构分析中实现在动态运动分析中考虑的所有压力和惯性负载。还要注意的是，在动态分析阶段中的位移之后的位置处已经评估了力矢量。因此，为了在固定坐标系中定义的结构模型上实现这些载荷，必须在旋转的坐标系中评估力，特别是重力载荷以保持一致性。

现在，时间被冻结，并且在时间实例处的所有压力和惯性力分布被给予结构模型。然后，瞬时惯性力将被包括在右侧的力矢量中，通过使用达朗贝尔原理改变符号。结构阻尼力也被转换成外部负载。

这种方法有时会崩溃，因为身上的力和力矩不能完全平衡。在一些情况下，在施加边界条件的节点上可以存在不可忽略的反作用力，并且不平衡的力可以在结构上形成总剪切力和/或弯曲和扭转力矩。或者，它们可能在施加边界条件的节点附近给出局部应力扰动。然后，不能获得确切的结构响应。

可能的对策是通过分布在船体上的许多软弹簧支

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