超大型集装箱船设计中的水力结构问题外文翻译资料

 2022-08-01 22:03:58

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?蛇行，2014

诠释纳夫Archit.海洋工程（2014）6：983〜999http://dx.doi.org/10.2478/IJNAOE-2013-0226 邮寄：2092-6782，eISSN：2092-6790

超大型集装箱船设计中的水力结构问题

Sime Malenica和Quentin Derbanne

必维国际检验集团，法国巴黎

摘要：船舶的结构设计包括两个方面的内容，即极端结构响应（屈服和屈曲）和疲劳结构响应。即使相应的故障模式根本不同，但其评估的总体方法也有许多共同点。这两个问题都需要应用两个主要步骤：一方面对给定的运行条件进行水-结构相互作用的确定性计算，另一方面对统计的后处理进行考虑，以便考虑使用寿命的运行情况。对于超大型船舶（如集装箱船），除了经典的准静态类型的结构响应外，水弹性结构响应也很重要。这是由于以下几个最重要的原因：挠性的增加是由于其较大的尺寸（Lpp接近400 m），这导致结构固有频率较低，运行速度非常大（gt;20节）和大的弓形耀斑（增加的砰击负荷）。与准静态结构响应的评估相比，对水弹性船结构响应的正确建模以及将其包含在总体设计过程中的复杂性要大得多。本文概述了当今实践中使用的不同工具和方法。

关键词：水-结构相互作用水弹性弹跳鞭打猛击潜在流量边界积分方程法；有限元法；差价合约模型测试；满量程测量。

介绍

即使不考虑船舶的结构响应，一般情况下，船舶水动力行为的数值模拟仍然是一个未解决的问题。对于最常用的势流模型和基于直接求解Navier Stokes方程的通用CFD代码，都是如此。建模的主要问题涉及人体与海浪相互作用产生的波浪的正确表示。实际上，不仅预先未知的自由表面的存在，而且同时还支持高度非线性的边界条件，这使得解决一般的海上维护问题极为困难。无法立即解决完整的非线性海上维护问题迫使我们引入了不同程度的简化。

在结构方面，情况稍微不太复杂，因为通常仅考虑线性结构问题。如今，存在基于有限元方法（FEM）的非常有效的数值工具，它可以解决准静态或动态意义上的任何类型的线性结构问题。这意味着，一旦将正确的流体动力载荷转移到FEM模型中，结构响应的评估就相当简单了。然而，从一种模型到另一种模型的负载转移是一个重要且微妙的步骤，需要以准确的方式完成。

通讯作者：Sime Malenica，电子邮件：sime.malenica@bureauveritas.com

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船舶结构设计的实际程序涉及两种主要结构破坏模式的验证：

  • 在极端条件下屈服和屈曲
  • 疲劳引发的裂缝

即使存在许多共同点，这两种故障模式也从根本上不同，并且其评估方法也不同。极端事件分析的最终目标是针对每个结构构件预测整个船舶寿命中最可能发生的单个事件，而疲劳分析的目标是通过计算应力的所有组合来分析整个船舶寿命。特定结构细节的范围和相应的循环数。

对于经典船（油轮，散货船，普通货船hellip;hellip;），其尺寸不超过一定值，通常的设计做法是直接采用不同船级社发布的规定规则和程序。在极端结构响应的情况下，这些程序不涉及完全直接的水力结构计算，最终设计荷载工况以等效简化荷载工况的形式给出，这些荷载工况由不同的规定设计荷载组合而成。即使确定设计载荷的过程部分依赖于流体动力计算，规则方法仍然基本上是规定性方法，是经验主义的重要组成部分。在结构强度方面，引入了其他安全系数，并使用经验的广泛反馈对规则方法进行了最终校准，从而确保了现有船舶的出色安全记录。由于采用了这些校准程序，因此原则上不可能对新颖的设计使用规则程序，而这些规则程序不会考虑所考虑的设计（船型，尺寸hellip;hellip;）和操作的初始假设。就疲劳寿命而言，规则方法使用类似的等效载荷工况方法。在这种方法中，假定应力分布遵循韦布尔分布，该分布由两个参数描述：形状参数和与给定概率水平相对应的参考应力。使用类似的等效载荷工况方法计算该参考应力。

在用于评估船舶结构可靠性的所谓直接计算方法中，基本思想非常简单：应使用完全耦合的水结构模型和极端事件的识别，在整个生命周期内直接计算船舶的结构响应。疲劳寿命将直接确定。由于实际上不可能完全一致地进行非线性水力结构计算，因此在CPU时间和精度的合理组合内，必须在整体方法的不同步骤中使用不同的近似水平来考虑一些近似解。本文的主要目的之一是讨论不同模型的最新技术水平。

水工结构相互作用模型

在讨论不同数值模型的细节之前，让我们首先对不同的水力结构问题进行分类。在表1中，这些不同的问题在流体动力载荷的性质和结构响应的性质上被示意性地分开。

表1不同的水力结构问题（H-流体动力学，S-结构）。

S

H

线性的

非线性波

脉冲非线性

准静态

X

X

X

动态

X

X

X

就流体动力载荷而言，通常的做法是将其分为3个不同的类别：

  • 线性流体动力载荷
  • 弱非线性，非脉冲载荷
  • 脉冲水动力载荷

在这里主要关注的潜在流水动力模型中，线性水动力载荷意味着经典的线性衍射辐射解决方案，也称为海上水动力分析。弱非线性载荷是指波浪载荷的非脉冲部分，通常通过所谓的Froude Krylov近似的不同变体来覆盖，该变体与大型船舶运动相结合。脉冲加载包括任何类型瞬态载荷，例如砰击，绿水，水下爆炸hellip;hellip;在本文中，仅考虑猛击载荷。

在结构方面，结构响应可以分为两种主要类型：

  • 准静态
  • 动态（通常也称为水弹性）

关于这种分离，有时在文献中观察到某种误解，主要是因为准静态和动态结构响应都是由于动态载荷引起的。但是，准静态和动态结构响应之间的根本区别在于以下事实：准静态响应不考虑结构振动，而水弹性动态响应却可以解释。在以下各节中，将详细讨论流体动力载荷和结构响应的不同组合。

线性拟静水力结构相互作用模型

线性准静态模型的基本特征总结在下表2中。

表2线性拟静水力结构相互作用模型

S

H

线性的

非线性波

脉冲非线性

准静态

X

动态

线性准静态水结构模型代表了任何后续水结构相互作用方法的基础。这是水-结构相互作用的最简单情况，但是不幸的是，对于一般情况，该问题仍然存在，这主要是由于与向前解决航海问题有关的困难。

为了使该过程尽可能有效，通常在频域中提出问题，这是由于流体动力载荷和结构响应的线性假设所致。这导致了针对不同船舶响应（运动，内部载荷，应力hellip;hellip;）的RAO（响应幅度算子）的定义，从中可以计算出给定操作条件（加载条件，速度，航向和散布图）的最大响应使用光谱分析。在准静态结构响应的情况下，优点是可以分别进行水动力和结构计算。

通常的过程是使用边界元方法（BEM）解决刚体衍射辐射问题。如前所述，由于线性，问题是在频域中公式化的，总速度势和相应的流体动力压力被分解为入射，衍射和6个辐射分量：

使用边界积分方程技术以数字方式计算电势，在该技术中，将平均润湿的身体表面离散为一定数量的面板（请参见图1），在该面板上以某种形式（恒定或更高阶）假定奇异性分布。无须过多介绍BEM程序的细节，让我们仅提及一下，在一般情况下，最终电势可以用平均润湿体表面SB上的奇异分布的形式表示。奇异分布有不同类型，最简单的一种是基于所谓的纯源分布：

这里

sigma; (xi; )代表源强度，

G x;

是格林函数

计算后，将压力积分到身体的平均湿润部位，并计算流体力学系数，从而可以写出以下刚体运动方程：

这里：

M

⎡⎣ A ⎤⎦

⎡⎣B ⎤⎦

C

真实的身体质量矩阵流体动力附加的质量矩阵流体动力阻尼矩阵流体静力恢复矩阵流体动力激发向量身体运动向量

水动力激励矢量

身体运动矢量

运动方程的解给出了人体运动，并且正式解决了航海问题。

下一步包括将载荷从流体动力学模型转移到结构有限元模型。这是该过程中的关键步骤，应格外小心，以建立完全一致的载荷工况，以完美平衡刚体惯性和流体动力压力载荷。就刚体惯性而言，情况很简单，我们应该确保使用FE模型中的质量分布来评估刚体质量矩阵。

图1船舶的水动力（顶部）和结构网格（底部）。

关于压力部分，主要问题是流体动力和结构有限元网格通常是完全不同的（见图1），因为它们是根据非常不同的要求构建的。这意味着必须有一个有效的压力传递程序，才能将流体动力压力始终施加到结构有限元上。如果此步骤执行不当，最终的载荷情况将无法平衡，结构响应将是错误的，尤其是在人造支撑物附近，人造支撑物必须包含在FE结构模型中，用于不受约束类型的结构（例如浮体）。

在实践中使用的大多数方法都采用不同的插值方案，以便将总流体动力压力从流体动力模型（水力板的质心）传递到结构模型（有限元的质心或节点）。除了在三个维度上复杂的插值问题外，还需要注意的是，总压力定义中存在的运动幅度是基于在流体动力网格上积分后计算出的流体动力系数的方程式（3）的解. .当将此压力施加到FEM网格上时，由于FEM模型具有其自己的压力积分过程，该过程与流体动力学模型中使用的压力积分过程完全不同，因此所得流体力学系数可能与模型中的流体动力学系数完全不同。在等式（3）中使用“平衡”，实际上使结构模型的平衡变得不可能。

为了获得结构模型的完美平衡，引入了三个主要思想：

    1. 重新计算结构点的压力（而不是插值）
    2. 通过在结构有限元网格上进行积分，分别传递不同的压力分量，并计算出不同的流体动力系数（附加质量，阻尼，静液压恢复和激励）。
    3. 使用以上计算的水动力系数和有限元模型的惯性特性来求解运动方程。

最后一点确保了有限元载荷工况的完美平衡，因为运动方程的所有系数都是使用FEM模型计算的。第一点是可能的，这要归功于BEM的非常重要的特性，

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