韓 濤 吳嘉蒙 蔡詩(shī)劍

（1.中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院 上海200011；2. 上海市船舶重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 上海200011）

引 言

等效設(shè)計(jì)波EDW（equivalent design wave）是目前船舶與海洋工程領(lǐng)域進(jìn)行結(jié)構(gòu)安全性評(píng)估時(shí)常用的載荷確定方法，基本原理是通過(guò)譜分析以及概率篩選等，確定船舶在規(guī)定的航行狀態(tài)時(shí)遇到的實(shí)際波浪工況，從而為結(jié)構(gòu)強(qiáng)度評(píng)估提供所需要的局部載荷，包括舷外水壓力以及自身的慣性載荷等［1］。

等效設(shè)計(jì)波通常是通過(guò)對(duì)船體特定區(qū)域以及結(jié)構(gòu)的應(yīng)力進(jìn)行譜分析，以篩選出起決定性作用的設(shè)計(jì)波，HCSR 中關(guān)于強(qiáng)度評(píng)估的設(shè)計(jì)波便是采用此方法確定［2］。此方法確定的設(shè)計(jì)波往往是針對(duì)典型區(qū)域的，最終確定的設(shè)計(jì)波數(shù)量較少且具有一定的典型性，但缺點(diǎn)是對(duì)于線型變化較大的船舶，其反映的并不一定是最危險(xiǎn)的工況。如對(duì)于集裝箱船，根據(jù)BV 船級(jí)社規(guī)范，針對(duì)水平波浪彎矩，僅需要考慮船舯0.5L處水平彎矩到達(dá)最大值的情況；而實(shí)際分析結(jié)果顯示，使0.2L附近水平波浪彎矩到達(dá)最大值的設(shè)計(jì)波引起的垂向彎矩分量會(huì)明顯更大，對(duì)最終的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果作用更加明顯。

為應(yīng)對(duì)此種情況，需進(jìn)行大量設(shè)計(jì)波計(jì)算，以包絡(luò)值決定應(yīng)力最大值的設(shè)計(jì)波。比如，原GL 規(guī)范中［3］，針對(duì)集裝箱船，針對(duì)某一個(gè)載況，在規(guī)則波中共選取約9 500 個(gè)設(shè)計(jì)波，以此得到其規(guī)范中要求的船體梁載荷等的包絡(luò)值，從而在此基礎(chǔ)上選定約20 個(gè)起決定作用的設(shè)計(jì)波，作為該載況下的強(qiáng)度評(píng)估等效設(shè)計(jì)波。

在設(shè)計(jì)階段（尤其是設(shè)計(jì)初期階段），對(duì)一些結(jié)構(gòu)形式以及尺寸的確定，需要對(duì)全船作初期的強(qiáng)度評(píng)估，此時(shí)進(jìn)行大量設(shè)計(jì)波運(yùn)算然后作篩選是不現(xiàn)實(shí)的；而僅進(jìn)行滿足規(guī)范角度的強(qiáng)度校核，可能會(huì)遺漏部分危險(xiǎn)工況，對(duì)于設(shè)計(jì)初期階段的結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)也不利的。因此，本次擬尋找一種適用于設(shè)計(jì)初期的全船強(qiáng)度校核方法，使其既能包含最危險(xiǎn)的工況又無(wú)需進(jìn)行大量計(jì)算工作。

1 方法簡(jiǎn)介

艙段校核中，在施加完局部載荷后，通過(guò)調(diào)整船體梁載荷使船體梁載荷值到達(dá)要求的值，由此確保結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力能體現(xiàn)在艙段模型中［4］。本文在此方法的基礎(chǔ)上，將相關(guān)理論應(yīng)用到全船分析，提出一種結(jié)合船體梁載荷調(diào)整和等效設(shè)計(jì)波法的全船校核方法，基本思路如圖1 所示。

傳統(tǒng)規(guī)范的方法是僅對(duì)于一個(gè)位置制定設(shè)計(jì)波，確保某個(gè)位置處的主導(dǎo)載荷到達(dá)最大值，如QRI 中的EDW2，但是容易遺漏某些危險(xiǎn)工況，如EDW1 以及EDW3 的情況就會(huì)被忽略。而如果所有的設(shè)計(jì)波均考慮到，那么計(jì)算量會(huì)變得相當(dāng)巨大。而本次采取的方法如ADJ 所示，選取任意一個(gè)設(shè)計(jì)波EDW_Selected（如本次的EDW_Selected即為ORI 中的EDW2）進(jìn)行加載，然后通過(guò)船體梁載荷調(diào)整將船體梁載荷調(diào)整到多個(gè)設(shè)計(jì)波的包絡(luò)值，從而一次性反映多個(gè)設(shè)計(jì)波的情況。

相較于傳統(tǒng)規(guī)范的方法，本方法能避免遺漏危險(xiǎn)的工況，同時(shí)不用進(jìn)行大量設(shè)計(jì)波的譜分析等計(jì)算工作，較為簡(jiǎn)便，適用于設(shè)計(jì)初期的強(qiáng)度校核工作。

2 方法驗(yàn)證

2.1 驗(yàn)證流程

為驗(yàn)證此方法的合理性，本次擬采用如下的驗(yàn)證方法：

具體驗(yàn)證流程如下：

（1）分別制定使距船尾0.2L、0.3L…0.8L處垂向波浪彎矩到達(dá)最大值的7 個(gè)設(shè)計(jì)波，并進(jìn)行局部載荷加載以及有限元分析，獲取7 個(gè)設(shè)計(jì)波的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果（HVM 工況的方法1 結(jié)果）；

（3）分別制定使距船尾0.15L、0.25L…0.85L處波浪扭矩到達(dá)最大值的8 個(gè)設(shè)計(jì)波，并進(jìn)行局部載荷加載以及有限元分析，獲取8 個(gè)設(shè)計(jì)波的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果（OST 工況的方法1 結(jié)果）；

（5）分別比較同工況下兩種方法的計(jì)算結(jié)果，如果方法2的計(jì)算結(jié)果能包絡(luò)住方法1的計(jì)算結(jié)果，且誤差在合理范圍內(nèi)（避免太過(guò)保守），則說(shuō)明本文方法正確。

圖2 驗(yàn)證過(guò)程流程圖

2.2 驗(yàn)證模型

本次模型采取某18 000 標(biāo)準(zhǔn)箱集裝箱船，有限元模型及局部載荷施加如圖3 所示。

圖3 有限元模型及舷外水壓力施加圖

3 驗(yàn)證結(jié)果

3.1 船體梁載荷積分結(jié)果

根據(jù)制定的各設(shè)計(jì)波的有限元計(jì)算結(jié)果，通過(guò)應(yīng)力積分獲得其各個(gè)船體梁載荷沿船長(zhǎng)的分布情況，計(jì)算結(jié)果如圖4 和圖5 所示。

圖4 HVM工況船體梁載荷沿船長(zhǎng)分布

圖5 OST工況船體梁載荷沿船長(zhǎng)分布

如圖4 和圖5 所示，其中Qv_x、Qh_x、Mv_x、Mh_x以及Mt_x（x 為0.2、0.25 等實(shí)數(shù)，表示距船尾的距離）分別表示按x 位置剖面制定設(shè)計(jì)波獲得的船舶各個(gè)剖面的垂向剪力、水平剪力、垂向彎矩、水平彎矩以及扭矩沿船長(zhǎng)的分布曲線；Qv_enp、Qh_enp、Mv_enp、Mh_enp以 及Mt_enp分別表示各個(gè)船體梁載荷曲線的包絡(luò)值 ；Qv_S11A、Qv_BV、Qh_BV、Mv_S11A、Mv_BV、Mh_BV以 及Mt_BV分 別 表 示S11A 以及BV 規(guī)范中的各個(gè)船體梁載荷分布 ；Qv_targ、Qh_targ、Mv_ targ、Mh_targ以及Mt_targ表示各個(gè)船體梁載荷曲線的調(diào)整后的目標(biāo)值。

由圖4 和圖5 可見(jiàn)，本次的目標(biāo)值選取為多條線的包絡(luò)值，可以包絡(luò)住眾多曲線的情況；并且，本次還選取S11A 以及BV 船級(jí)社的相關(guān)曲線進(jìn)行對(duì)比，可知本次選取的包絡(luò)值和規(guī)范值在同一水平線上，即本次的包絡(luò)值設(shè)定是合理的，同時(shí)也說(shuō)明全船分析僅設(shè)定一個(gè)設(shè)計(jì)波可能并不能涵蓋最危險(xiǎn)的情況。

由于結(jié)果發(fā)現(xiàn)包絡(luò)值和規(guī)范值相當(dāng)接近，因此本文建議在缺少包絡(luò)值的前提下，可用規(guī)范值代替。

3.2 應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

為直觀地比較兩種方法的計(jì)算結(jié)果，本次選取上甲板以及外底板的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，兩種方法的應(yīng)力云圖對(duì)比如表1 和表2 所示。為了更直觀地對(duì)比兩者計(jì)算結(jié)果，將各個(gè)工況以及方法的應(yīng)力最大值進(jìn)行提取匯總，匯總結(jié)果如下頁(yè)表3 和表4 所示。

表1 兩種方法上甲板對(duì)比表（部分）

表2 兩種方法外底板對(duì)比表（部分）

表3 兩種方法上甲板和外底板對(duì)比表（HVM工況）

表4 兩種方法上甲板和外底板對(duì)比表（OST工況）

由表1 可知，兩種方法的應(yīng)力分布基本符合該工況的特性，高應(yīng)力區(qū)出現(xiàn)的位置也基本一致；同時(shí)也發(fā)現(xiàn)，對(duì)于OST 工況，不同設(shè)計(jì)波的計(jì)算結(jié)果存在較大差異。

在表3 以及表4 中，斜體加粗值為傳統(tǒng)規(guī)范的計(jì)算結(jié)果。通過(guò)對(duì)比可知：實(shí)際設(shè)計(jì)波中存在著比規(guī)范規(guī)定的結(jié)果更危險(xiǎn)的波浪工況；由此也說(shuō)明本文的方法能包絡(luò)住最危險(xiǎn)的工況，誤差在10%以內(nèi)，因此本方法是合理的。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文提出以船體梁載荷調(diào)整和等效設(shè)計(jì)波相結(jié)合的總強(qiáng)度校核方法，其基本原理是加載一個(gè)設(shè)計(jì)波局部載荷，然后通過(guò)船體梁載荷調(diào)整將船體梁載荷調(diào)整至多個(gè)設(shè)計(jì)波的包絡(luò)值，從而一次性反映多個(gè)設(shè)計(jì)波的情況。驗(yàn)證結(jié)果顯示，該方法的計(jì)算結(jié)果能包含多個(gè)設(shè)計(jì)波的計(jì)算結(jié)果，且誤差在10%以內(nèi)。與傳統(tǒng)規(guī)范方法相比，該方法不容易遺漏最危險(xiǎn)的工況，而且無(wú)需進(jìn)行大量設(shè)計(jì)波計(jì)算，適用于設(shè)計(jì)初期的船體強(qiáng)度初步評(píng)估以及通過(guò)定性分析確定結(jié)構(gòu)的基本形式。

由于時(shí)間受限，本次僅對(duì)一艘船進(jìn)行驗(yàn)證，針對(duì)本方法對(duì)于其他船型的適用性還有待進(jìn)一步研究。