1、东海科学技术学院本科毕业论文 目录 本科 毕业论文 (设计 ) 题 目： 139m 甲板运输船波浪载荷计算 学 院： 学生姓名： 专 业： 船舶与海洋工程 班 级： 指导教师： 起 止 日期： 东海科学技术学院本科毕业论文 目录 目 录 摘 要 1 Abstract 2 第一章 绪论 3 1.1 前言 3 1.2 概述 4 1.3 SESAM 软件的简介说明 5 1.4 课题研究背景及内容 6 1.5 本文主要研究内容 7 第二章 波浪理论 8 2.1 概 述 8 2.2 基本方程及边界条件 8 2.3 线性波浪理论 10 2.4 随机波浪理论 11 2.5 波浪理论计算方法 12 第三章 甲
2、板运输船在波浪中的运动和波浪载荷的计算 14 3.1 船舶在波浪上的运动 理论基础 14 3.2 波浪载荷研究理论 15 3.3 船舶参数资料 16 3.4 船舶在规则波中的运动与载荷分析计算 17 3.5 计算条件 17 第四章 全船湿表面模型的建立 18 4.1 甲板运输船船体外表面模型的建立 18 4.2 质量模型 19 4.3 水动力计算 22 4.4 本章小结 26 第五章 数据结果分析 27 5.1 同一种工况在不同浪向角情况下的波浪载荷 27 5.2 同一浪向角时不同工况的波浪载荷 31 总 结 40 参考文献 41 致谢 42 附录一 垂向波浪剪力和垂向波浪弯矩数值分布表 43
3、 附 录二 波浪扭矩数值分布表 51 东海科学技术学院本科毕业论文 摘要 1 139m 甲板运输船波浪载荷计算 摘 要 在船舶航行中，船舶波浪载荷是对船舶的航行速度起一定影响的，如果能够精确的计算出船舶在不同工况下的船舶载荷情况，不同剖面和浪向对垂向剪力的影响情况，就能为船舶的设计等提供很大的帮助。本文应用三维势流理论计算 139m 甲板运输船波浪诱导载荷，该甲板运输船的 L/B=4.34、 B/D=4，超出了波浪载荷经验公式的规范要求。使用挪威船级社SESAM 软件 HYDRO 程序利用 POSTRESP 输出各横截面的波浪诱导垂向剪力、垂向弯矩长期预报值。文中详细阐述了进行整船水动力分析的
4、过程及方法。包括建立湿表面模型和质量模型，进行了四种装载工况下波浪载荷预报，提出了波浪入射角、装载状态对于波浪诱导剪力、波浪诱导弯矩、船体运动响应的影响。 关键词 甲板运输船；波浪载荷； SESAM；剪力；弯矩 东海科学技术学院本科毕业论文 摘要 2 139MBARGE CARRIER WAVE LOAD CALCULATION Abstract Sailing ship, the ship wave loads on ships sailing from a certain impact velocity, if we can calculate the precise ship ships
5、 at different load conditions, the different profiles and wave to the vertical shear of the the impact of the situation, the design of the ship will be able to provide a great help.The potential theory is used to calculate the wave-induced loads of 139mbarge carrier. The ships general scale ratio is
6、 out of Specifications of the empirical formula of wave loads which the value of L/B is 4.34 and the value of B/D is 4. Norske Veritas SESAM software HYDRO program combined with the work of the waters of the waves scatter plot POSTRESP output cross-section of wave-induced vertical shear, the vertica
7、l bending moment of long-term forecasting value.The detailed hydrodynamic analysis method of the entire vessel and method of the process is introduced, including the establishment of wet-surface model and mass model for the eight loading conditions. The calculation results show that the wave inciden
8、t angle and the load conditions have different e ffect on the wave-induced loads and motions. Key wordsDeck-cargo ship; Wave loads; SESAM; shear force; bending moment 东海科学技术学院本科毕业论文 正文 3 第一章 绪论 1.1 前言 随着人全球人口的增加，人类对石油的需求量逐渐增长，使人类的生存空间逐渐向海洋与空中拓展。海洋蕴藏着丰富的矿产和生活资源可供人类使用，包括石油资源、矿产资源、化工资源、食品资源等，海洋是二十一世纪人类
9、发展必须要深入开发的领域。 船舶这一水上工具是人们深 入海洋所不可或缺的工具，如何很好的估算船舶波浪载荷解决船舶疲劳问题是船舶设计环节中所不可或缺的一部分。在给定了船舶型值的前提下，只有确定了波浪载荷，并结合船舶实际运营时的内部载荷，才能设计出满足一定结构强度而又经济实用的船体结构。船舶在海上的运动是六个自由度的刚体运动 :纵荡、横荡、垂荡、纵摇、横摇和首摇的组合。在这些运动过程中，船舶波浪载荷将以垂向、横向的剪力 (弯矩 )以及扭矩的形式作用于船体。在船舶的结构分析中，首先应确定船体的静水和波浪诱导载荷。船体在其运营期中承受这两种载荷，将可能导致疲劳及破损，这是船 舶设计所关心的问题 23。
10、 大量的船模试验和实船测量结果表明，船在大幅波浪中的波浪载荷呈现明显的非线性特性。自 70 年代末期以来，国外学者采用“高阶理论”或“时历模拟”方法，从事非线性波浪载荷的理论研究。近些年国内也相继开展了这方面的研究工作，并取得了一定的进展。然而实际问题是非常复杂的，该领域内至今仍有许多问题有待进一步的探讨和解决。在实际海况中，船舶航行受到很多因素的影响，严重的摇荡不仅会降低船舶的运营效率，甚至会造成结构毁损或倾覆失事。研究船在波浪中的运动，为设计耐波性好的船舶提供可靠的依据。船舶 耐波性中的适居性、实际使用性、生命力的三个指标中，如下指标是设计者需要考虑和关心的：六个自由度的运动速度平均值与特
11、征值、加速度特征值、运动速度和加速度的极值、甲板淹湿、船体相当梁弯矩、砰击和砰击负荷、局部波浪负荷、波浪诱导振动、船体挠度、所需功率的增加、螺旋桨空转和尾轴负荷以及航向稳定性，上述指标的影响因素非常大，而且每一项都有其专门的技术与理论，确定这些因素的临界状态必须研究船舶与海浪的相互影响，也就是说，必须对船舶在波浪上的运动状态进行研究 610 。 目前，已有许多应用三维方法对船舶运动和波浪 载荷预报的商业软件。如挪威船级社(DNV)开发的 SESAM(船舶强度计算系统 )，其中 WADAM 模块和 WASIM 模块主要进行水动力计算， WADAM 是基于三维频率的船舶运动和波浪载荷预报模块，主要
12、解决零航速浮体的波浪载荷预报。 做好以上工作对做好船舶设计工作，设计出符合规范要求的船舶至关重要。 东海科学技术学院本科毕业论文 正文 4 1.2 概述 船舶工业是集一个国家诸多基础工业于一体、技术和劳动密集型的产业。一个国家的船舶工业发展程度体现了该国的基础工业水平。我国幅员辽阔，江河湖泊众多，海岸线漫长，拥有极其丰富的水运资源，这为发展我国船舶工业提供了有 利条件。 随着国民经济持续高速增长，人民生活水平不断提高，旅游事业蓬勃发展，对水运的要求也日益提高。一方面出现了如大中型集装箱船、无舱盖集装箱船、巨型油船、自卸船、化学品船、液化气船、粉粒状散货船和旅游船等高技术、高附加值的新型船舶 ;
13、另一方面，在常规的散货船、油船及杂货船领域，也需要不断开发标准船型、节能船型和经济船型等先进船型。 运输船舶应能在水上安全航行，并担负载运旅客和货物的任务，必须具有以下性能：在满载旅客、货物后能漂浮于水面并保有一定储备浮力的浮性 ;在风力或其他外力作用下不倾覆的稳性 ;因碰撞 、搁浅或发生其他 海损 而局部进水时仍能漂浮于水面而不沉没的 抗沉性 ；能按照驾驶人员的意图改变或保持船舶航向和速度的操纵性；在一定主机功率的推动下能以较快速度前进的快速性；遇到风浪，仍能以一定速度平稳航行的耐波性。 船舶类型、尺度和建造方法的重大变化导致船舶结构设计原理的重大变革。因此，需要一个科 学的、强有力的和通用
14、的船舶结构设计方法以满足当前对船舶的可靠性、运营效率和经济性的更高要求。基于这些原因，出现了采用“理性”结构设计的一般趋势。 “理性”结构设计可定义如” :直接地和完全地基于结构理论以及采用以计算机为基础的结构分析和优化方法，并按照设计者选定的价值衡量标准，获得一个最优的结构。从这个定义可以看出，“理性”结构设计包括对结构在寿命期中影响结构安全与性能的全部因素。 进行彻底的和精确的分析，并且结合结构要求要达到的目标综合这些信息，设计出既保证足够安全又达到最优目标的设计。同时，我们也 应注意到这种设计方法对外载荷计算、结构强度计算以及强度衡准提出了更高的要求。船舶结构设计原理的上述变革促进了对波
15、浪载荷计算方法、结构强度计算方法以及结构可靠性方法的研究。 目前，结构可靠性分析方法已经发展成熟，许多学者采用可靠性方法开展船体梁极限强度计算、疲劳强度计算方面的研究工作。结构强度计算方面，随着计算机软件、硬件能力的不断发展，舱段有限元分析、整船有限元分析方法逐渐替代了梁理论。 结构强度计算方法的不断进步使其对外载荷计算提出了更高的要求。当采用梁单元理论评估船体强度时，船体横剖面上的剪力和 弯矩是结构强度校核的主要载荷，水动压力仅在局部结构的疲劳和极限强度设计中使用，而在船体结构直接设计计算中，整船有限元分析使水动压力成为与船舶运动、剪力、弯矩同等重要的设计参数。因此，在作用于船舶上的所有基本
16、载荷中，船体表面波浪压力和波浪诱导的剖面剪力弯矩是在强度计算中要考虑的最重要的外载荷。基于此，寻求合理而实用的船舶运动、波浪载荷和水动压力预报方法对船舶工程的发展具有重要意义。 东海科学技术学院本科毕业论文 正文 5 在早期的船舶非线性运动和波浪载荷研究中，仅考虑入射波浪对船体的干扰作用，不考虑船体对流体的影响。接着人们开始致力于船舶摇荡流体理 论建立，试图通过速度势线性边值的问题的建立与求解，将船舶的存在与运动对入射波流场的流体影响考虑进去，进而可以更加合理地描述船舶运动所受阻力。 Hasking 提出在线性理论范围内将流场中的扰动速度分解成绕射速度势和辐射速度势，两者的线性迭加即为中总的扰
17、动势。实际海浪中船舶运动有复杂的非线性现象，特别是恶劣海况下船舶运动幅度较大，由于甲板上浪，外部碰击和底部碰击等因素的影响，导致波浪载荷、船舶阻力呈现明显的非线性。基于以上几点因素，采用三维式域方法对大幅波浪中船舶的波浪载荷应力与非线性进行研究，为船波浪预报进行探 索打下理论基础。波浪诱导载荷与运动的短期和长期预报基本理论一般情况下，海面上的波浪不会是规则波，它通常呈现为随机的不规则波，所以应该采用概率和随机理论的方法来计算波浪诱导船体运动及载荷 .波浪诱导船体运动与载荷的短期和长期预报是建立在以下三个基本假设之上的：认为波浪和船体运动是各态历经的平稳随机过程；设船舶为时间恒定的线性系统；设风
18、浪谱和船舶响应谱为窄带谱 78。 1.3 SESAM软件的简介说明 SESAM 是挪威船级社 (DNV)开发的大型软件系统，用于船舶及海洋工程的结构和流体动力分析、设计，其发展 基础正是有限元法在船舶及近海领域中的广泛应用。本课题使用该软件分析计算平台结构三维有限元模型在自身载荷和环境载荷作用下的运动响应。 SESAM 是世界造船领域一致认可的大型结构有限元分析软件，可以解决船体平台结构的强度刚度及结构优化等问题，通过有限元分析确保各个零部件及分析系统在最合理的环境下正常地工作以获得最佳性能。 SESAM 的显著特点是功能模块化。不同的子程序模块分别完成模型建立、环境载荷分析、结构分析、结果处
19、理等功能。 SESAM 中的模块主要有预处理模块 Patran-Pre, Prefem, Preframe, Prese1和 Proban:环境分析模块 Wadam,Wajac, Waveship, Wasim, Installjac 和 Simo;结构分析模块 Sestra, Splice, Usfos,Mimosa 和 Riflea，计算后处理模块 Postresp, Xtract, Framework, Stofat, Profast,Cutres. Platework 和 Comcode。这些不同的模块整合成三个软件包，即建模前处理模块 GeniE，水动力模块 HydroD 和系泊耦合
20、分析模块 DeepC。 SESAM 的特点可综合如下： 1)结构分析程序基于有限元方法，可解决多种结构类型，多种载荷类型的应力问题。独特的多层次超单元技术大大提高了程序效率。 2)交互式图形后处理器不仅可以提供各种数据结果的图形而且，提供了用于最后评估和设计的程序。 3)流体动力分析程序中环境载荷及固定式漂浮物体的刚体响应计算基于 Morison 公式和势流理论。东海科学技术学院本科毕业论文 正文 6 4)不同模块间的数据自动传送是通过 SESAM 界面文件实现的，这些界面文件包含有限元模型数据、环境载荷结果、程序结果数据、载荷刚体位移总外力等结构响应应力和位移等 3。 1.4 课题研究背景及
21、内容 1.4.1 研究背景 传统的船体结构分析分为两部分，一是全船总纵强度的简化分析，二是船体局部强度分析。在总强度分析中，将船体简化为一根等效梁，复杂的船体变成一条一维尺度的直线，而载荷也全部集中到这条代表剖面纵轴的直线上，为得到强力构件的内力，采用了应力合成的方法，即将构件的内力分为总弯曲应力和板架弯曲应力，分别计算后再进行合成。然而，实际的船体结构是一个很复杂的三维箱形结构，其受力是相当复杂的，特别是波浪载荷的不确定性，因此，人为地将其分开计算对集装箱船会带来较大的 误差。 因此，对于甲板运输船，由于其自身的结构特点，不能把船体当作一根等值梁来计算其总强度，于是需要有一种能够考虑非等值结
22、构扭转响应的更加精确的船体梁分析方法来计算船舶波浪载荷，目前，国内外主要发展以薄壁梁理论为基础的有限梁方法。薄壁梁理论在前期设计阶段可以起到一定的作用，但是，对于波浪载荷，薄壁梁理论采用确定性的方法；而波浪载荷是随机性的，因此这些由薄壁梁理论所得到的结果有很大的局限性，不能对船体的各个部分给出较详细和准确的应力分布，往往有较大的误差。 随着计算机软硬件技术的发展，使得全船有限元分 析技术使船体总强度分析有了革命性的突破。全船有限元分析法将全船各主要构件按其受力状况分别以膜、壳、梁、析条等单元来表示，可以较真实地表达出全船结构的刚度特性，通过有限元分析求解，可以求出各主要构件的实际变形与应力。采
23、用全船有限元分析法和波浪载荷的直接计算可以进一步提高计算结果的可靠程度。 1.4.2 研究内容 本文主要应用 Patran 软件建立全船湿表面模型，并运用挪威船级社 (DNV)的 SESAM (Super Element Structure Analysis Modules)软件系统进行全船弯扭强度分 析，对其进行了包括波浪统计预报，确定设计波，计算船体应力分布等分析。 主要内容有： (1)整理 139m 甲板运输船的图纸和资料，分析其结构特点，利用 patran 建立全船模型，包括几何模型、有限元模型，利用 SESAM 建立流体动力计算模型和质量模型，然后将全船模型导入 HYDROD 中。
24、(2)利用挪威船级社 (DNV)的 SESAM 软件系统的波浪载荷分析与响应计算子模块 WADAM，计算全船在一系列规则波上的流体动力载荷，包括动压力在湿表面上的分布及其对指定截面的积分，形成载荷传递函数。 东海科学技术学院本科毕业论文 正文 7 (3)根据规范和指导性文件，利用 上面得出的传递函数，以及挪威船级社 (DNV)的 SESAM 软件系统的进行计算结果统计处理的交互式图形后处理器 POSTRESP，对计算结果进行统计处理和预报。通过长期预报，确定设计波。 (4)利用挪威船级社 (DNV)的 SESAM软件系统的数据转换处理器 PREPOST和有限元分析图形处理器，对其结果以图形方式
25、显示出来，分析全船或局部有限元模型及其应力分布状况。 1.5 船型及方法 甲板运输船是能运输杂货、散货、集装箱、重大件货及滚装货。这种船型的出现背景是由于世界贸易情况捉摸不定， 海运形势动荡多变， 为此需要一 种能载运“不确定性”货物的船型，以扩大船的使用范围，适应不断变化的形势。这些要求归纳起来就是： 能适应多种航线， 尽可能高效率地载运各种货物， 使用简便，造价低廉。 甲板运输船能载运各种货物，但有时亦有侧重，有以载运集装箱为主，有以载运重大件货 (或特长件货 ) 为主，也有以载运杂货为主。但载运以重大件货或杂货为主的船型，是一种布置地位型船舶， 即其主尺度主要取决于船内部容积以及甲板布置
26、所需面积的要求。 本文使用 SESAM/WADAM 软件为甲板运输船直接结构计算作了大量准备工作。该软件由挪威船级社 (DNV)开 发，是一套比较先进而且使用简便的分析软件，主要进行水动力计算，它可以对各种船型、船速进行计算和预报。主要计算功能包括： 1、总体响应：刚体运动、剖面力和力矩。 2、船体压力：指定点压力、全船的总压力分布。 3、外载荷自动转换为有限元进行结构分析：线性分析中的频域载荷、非线性分析中的载荷时历。 采用 SESEAM 软件计算甲板运输船的波浪载荷预报，最重要的工作就是怎样正确无误的采用 patran 建立甲板运输船的有限元模型，并且要进行波浪载荷的加载，这也是软件分析中
27、的最主要的工作。为了做好这个工作，首先我要通过学习有 关资料进一步掌握有关载荷预报的原理以及熟悉 SESEAM 和 patran 有限元分析软件，然后建立船体外壳的有限元模型，进而进行船体的水动力计算，并和规范算出的结果做对比，最后进行结果分析。另外，整个过程还需要进行完善。 第一阶段：学习和消化使用 patran和 WADAM 软件的基础上，计算一实船三维线性运动和波浪载荷以及三维非线性运动和波浪载荷。 第二阶段：计算结果分析，并包括对其中的非线性因素进行分析。 东海科学技术学院本科毕业论文 正文 8 第二章 波浪理论 2.1 概 述 为计算海洋工程结构物所受的波浪力，就要知道它所处海域的波
28、浪形式和特 点。波浪理论就是用流体力学的基本规律揭示水波运动的内在本质，如波浪场中的水质点速度分布和压力分布等，为海洋结构物设计时研究作用在结构物上的波浪力，波浪引起的结构运动等提供理论基础。波浪理论也已得到广泛的研究，主要有线性理论和非线性理论，线性波浪理论(Airy 波 )是假定波浪振幅足够小，这样就可以基本忽略非线性项而得到速度势的近似解。但海洋中实际波浪的波幅一般是有限的，有时能达到较大的数值，所以要考虑波动自由表面引起的非线性影响。现今的非线性波理论主要有斯托克斯 (Stokes)波理论、椭圆余弦波理论、驻波理论、 流函数波理论等。以下主要介绍作为基础的线性波浪理论和本论文重点应用的
29、随机波浪谱。 2.2 基本方程及边界条件 如图 2-01 表示一在海底平坦、光滑、静水深度为 d 的海域向前传播的波浪。设波浪传播方向为 x 正向，垂直向上方向 z 正向，坐标原点位于海底。假设流体为理想流体，即无粘、无旋并且不可压缩。此外，还假定波浪在传播过程中保持其形态不变，其运动是二维的。 在图 2-01 中，从波峰至波谷的垂直距离 H 称为波高。两个相邻波峰的距离 L 称为波长，两个相邻波峰经过一特定点的时间间隔 T 称为波浪的周期。设 c 为波浪的传播速度，/c L T 。此外，也常使用波浪的圆频率 2/T 及波数 2/kL 两个参数。 波速 C波浪周期 T - L / CHZXd图 2-01 波浪的传播简图 任一波浪都可由 H、 L(或 T)、 d 确定，并可按不同的波浪理论确定水质点的运动。设理想流体的速度势为 ， 为任一点的位置及时间的函数，记为 ( , , )x y z 。 应满足 Laplace
