1、 本科毕业论文 （ 20 届） 80m 矿砂船波浪载荷计算 所在学院 专业班级 船舶与海洋工程 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 目录 【摘要】 .1 【 Abstract】 .2 一、 绪论 .3 1.1 论文的目的和意义 .3 1.2 运动和波浪载荷的概述 .4 1.3 SESAM 软件的简介说明 .6 1.4 课题研究背景及内容 .6 1.4.1 研究背景 .6 1.4.2 研究内容 .7 1.5 本文的主要研究内容 .7 二、 基本理论 .9 2.1 前言 .9 2.2 控制方程 .9 2.2.1 Morison 的方程式 .9 2.2.2 运动公式 . 10 2.3
2、总体响应分析 . 10 2.3.1 波浪荷载计算 . 10 2.3.2 总体响应的结果 . 11 2.4 详细的计算荷载的结构模型 . 11 2.4.1 确定性载荷和详细的载荷转移 . 11 2.4.2 载荷转移到模型梁单元 . 12 2.5 环境描述 . 12 2.6 结果类型报告 Wadam . 13 2.6.1 传递函数和相位定义 . 14 2.6.2 阻尼矩阵 . 15 2.6.3 刚体运动和二阶平均漂移力 . 15 2.6.4 波浪阻尼和分布载荷 . 16 2.6.5 截面荷载和滚动阻尼系数 . 17 2.7 计算方法 . 18 2.7.1 计算波载荷势理论 . 18 2.7.2 计
3、算油箱压力 . 20 三、 矿砂船在波浪中的运动和波浪载荷预报 . 21 3.1 船舶运动基本坐标系和运动量的描述 . 21 3.2 波浪载荷研究理论 . 21 3.2.1 船舶在规则波中的运动与载荷分析计算 . 22 3.2.2 波浪载荷的短期及长期预报基本理论 . 22 3.2.3 海浪谱和响应谱 . 23 四、 全船湿表面模型的建立 . 24 4.1 矿沙船船体外表面模型 . 24 4.2 Mass model 质量模型 . 25 4.3 水动力分析计算 . 27 4.4 本章小结 . 32 五、 数据结果分析 . 33 5.1 装载状态对于波浪诱导垂向剪力、垂向弯矩的影响 . 33 5
4、.2 装载状态对于波浪诱导扭矩的影响 . 38 【参考文献】 . 41 致谢 . 错误 !未定义书签。 总结 . 42 外文文献翻译 . 错误 !未定义书签。 附录一 . 44 附录二 . 54 1 80m 矿砂船波浪载荷计算 【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。 本文使用 SEASM/GENIE 软件来建船体外壳模型并且划分网格，并将建出的船体模型导入到 HYDROD 软件中，运行计算得出 :在不同工况下，不同剖面和不同浪向角，船体外壳收到
5、的延船长方向上的剪力，弯矩和扭矩的大小，最后用 EXCEL 软件绘制剪力，弯矩和扭矩图，通过这些图的分析得到船的最大和最小垂向剪力垂向弯矩，以及最大扭矩，得出正确的预报波浪载荷值。 【关键词】 船舶波浪载荷 SESAM 弯矩 剪力 矿沙船 2 80 m wave load calculation ore carriers 【 Abstract】 sailing ship, the ship wave loads on ships sailing from a certain impact velocity, if we can calculate the precise ship ships
6、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. This article used SESAM/GENIE software to build the hull and divided into grid ，and the hull model be imported into HYD
7、RO come running in different conditions, the ship have shear force, moment and torque in different profiles and different wave angle, at last use excle software draw shear force and moment diagram, by the analysis of these diagram getting the maximum and minimum vertical shear force of the ship, get
8、ting the correct value of the prediction of wave loads, for making a good hull structural design and the correct analysis of the hull structural strength pave the way, providing a lot of help for the ships hull form optimization and design at the same time . Keywords ship wave load SESAM moment shea
9、r force ore carrier本科论文 正文 3 一、 绪论 1.1 论文的目的和意义 和船舶运动研 究息息相关的一个研究领域 是船舶在波浪中的载荷研究，船舶在波浪上的运动理论是研究波浪载荷的理论基础之 一。进行船舶结构分析时，首先要确定作用在船体上的载荷，而结构分析的精度又很大程度地取决于波浪载荷计算。因此，波浪载荷问题是船舶结构研究中非常重要的一个问题。 近年一些船的装载在不断增加，其大型化明显给船体结构和总纵强度设计带来了困难。除了总纵弯矩外，由于其大开口，由扭矩产生的变形很大；前后各断面处不同的纵向变形引起高的翘曲应力，由于一些船的 结构，机舱前周围位置绕曲应力相对较大；因此，
10、这些船还必须加强扭转强度的研究，船首外飘引起的波浪砰击，甲板上浪等研究。非线性载荷出现在各种船体响应，如船体运动，船体力矩，以及船体压力，因此，在最终设计载荷时非线性影响必须考虑进去；波长为 0。 35L，浪向角为 120 度的规则波为最主要的规则波条件。 在船运动和载荷计算与分析领域，虽然基于频域和概率的线性切片理论已经取得了巨大成功，由于有许多实际的耐波性和结构载荷问题在线性理论下得不到合理的解决，甲板上浪、外飘冲击力、首尾砰击等问题便是明显的例子由于忽略了 非线性载荷，预报值和实际值之间有很大的差距。以上问题表明了非线性问题的重要性，在船运动和载荷计算过程中必须考虑这些非线性因素。另外一
11、个同样突出的问题是船舶的三维性，在对水线下船体表面动态压力的分析中，分别利用线性的二维方法和三维方法计算，二者存在较大的差距。 船在波浪中运动的非线性因素主要可分为二大类，一是由水动力载荷的复杂性和 大幅横摇运动引起的不可忽略的非线性；二是由不同运动形式之间的藕合产生，其中影响最大的则是横摇一纵摇和横摇一升沉的藕合，形成含有参数激励非线性动力系统。这些非线性因素有可能是引起船在某 些条件下 发生意外倾覆的重要原因。 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。正确反映这一事实，对于船体总纵强度计算有着特别重要的意义。自 70 年代末期以来，国外学者采用“高阶
12、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，并取得了很大的进展。然而由于实际问题的复杂性，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，船运动受到诸多因素的影响，严重的摇荡运动不仅会影响船舶的运营效率，甚至会造成结构毁损或倾覆失事。研究船在波浪中的摇荡运动机理，主要是为设计耐波性能好的船舶提供可靠的依据。在考虑船舶耐波性的适居性、实际使用性、生命力的三个主要评价指标中，如下指标是设计者必须考虑和关心的：六个自由度的运动速度平均值或特征值、加速度特征值、运动速度和加速度的极值、甲板淹湿、砰击和砰击负荷、波浪诱导振动、船体相当梁
13、弯矩、船体挠度、局部波浪负荷、所需功率的增加、螺旋桨空转和尾轴负荷、航向稳定性，上述指标的影响因素非常广泛，其中每一项都有其专门的技术和理论，但有一点是肯定的，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，必须对船在波浪上的运动状态进行研究。 综上所述，准确地对船运动和波浪载荷进行计算与研究，对保证船舶安全性和运营经济性具有十分重要的意义。 本科论文 正文 4 1.2 运动和波浪载荷的概述 船舶在波浪中的运动和载荷的研究已有百年的历史。早在十九世纪，傅汝德和克雷洛夫，就分别对横摇和纵向运动提出古典的运动理论。在他们的早期研究中，仅考虑了入射波浪对船体诱导的干扰力未考虑因船体的
14、存在以及船舶运动对流场的影响。这部分只由入射波引起的波浪干扰力即为现在所称的傅汝德一克雷洛夫力，或入射力，未被考虑的二个力即为辐射力和 绕射力。傅汝德和克雷洛夫的这些经典研究成为十九世纪末到本世纪四十年代船舶摇摆运动研究的理论基础。 从四十年代起，人们开始致力于船舶摇荡流体动力理论的建立，试图通过速度势的线性边值问题的建立和求解，把船舶存在及其运动对入射波流场的流体动力影响考虑进去，从而更加合理地来描述船舶的摇荡运动。其中值得一提的是哈斯金特的研究，他应用格林定理构造由于船体存在和运动引武汉理起的扰动速度势，并推导了点源格林函数的表达式。按边界条件的提法，最终得到求解速度势的积分方程，并用窄船
15、假定进一步解出此方程。哈斯金特的一个主要 贡献是首次在线性理论范围内把流场中的扰动速度势分成绕射速度势和辐射速度势分别求解，二者的线性迭加即为流场中的扰动速度势，这一分解直到目前仍是处理摇荡问题中线性扰动势的典型处理方法。差不多与此同时，海夫洛克、厄塞尔等人也对速度势边值问题的求解进行了研究。厄塞尔用多极展开法，求得了在静水中简谐强迫振荡的圆柱体所受的流体作用力。 这些先驱的工作尽管在形式上很优美，但无论是窄船假定或圆柱体，与实际船舶的形状都相去甚远，对这些理论的进一步发展和改进是五十年代以后的事情。 到五十年代，船舶在波浪的运动的 研究在两个方面有了重大突破。一个是频谱分析方法的引入。 19
16、53 年圣。丹尼斯和皮尔逊将在通信理论中发展起来的处理噪声的理论应用到波浪中船舶摇荡的研究中，提出了不规则海浪中船舶运动计算的理论方法。根据这一理论，船舶摇荡运动不再被认为是一种确定性的过程，而是一种随机过程，与海浪的随机性或不规则性联系在一起，从而使人们在统计意义上从量的角度考察不规则海浪中船舶的摇荡运动。第二个进展是切片理论在船舶摇荡问题中的应用。 1955 年科文一克劳科夫斯基应用空气动力学的细长体概念首次提出了处理摇荡问题的切片理论。这一理论假定船 体是细长的，可沿船长方向将船体分成若干段，各段上截面形状相同，对各截面来说，流动可近似认为是二维的；按二维流动求得各横截面所受的流体作用力
17、后，沿船长方向积分便可得到船舶所受的总的流体作用力。切片理论之所以在五十年代以得到迅速的发展，在线性频域计算范畴中，切片理论是一个常用的实用方法，它的计算结果与实验结果有良好的一致性，尤其对船舶纵向运动的估算，准确程度更好一些。 严格意义上的船舶摇荡三维流体动力计算出现在七十年代。高速的大型电子计算机相继问世及其迅猛发展，这三维计算的实现创造了条件。近年来，基于势 流理论的各类频域与时域三维线性分析方法层出不穷。对无航速的船舶 (包括海洋工程结构物 )的流体动力和运动的研究比较多，如有福汀森和密恰尔森、张和卞、盖里逊等人的工作。船舶摇荡的三维计算方法目前正在进一步向现实性和经济性方向发展，包括
18、引入有限元素法、各种杂交法等计算流体力学手段。 我们知道，频域理论和时域理论是研究船舶运动的二个重要手段。相对来说，频域发展的历史比较长，在工程上应用较多。其频域的理论体系使得不规则波中极值预报和疲劳损伤本科论文 正文 5 预报更加直观和方便，然而，当在船体结构设计中考虑极端海况和最大生命期载荷 等本质上是非线性的问题时， 线性切片理论 存在着难以逾越的障碍。随着船舶运动的非线性效应逐渐引起人们的注意，一些学者沿着实用化的道路对切片理论进行了非线性的推广。对于船舶运动的非线性效应常用时域分析方法，相对频域方法，时域分析可以方便地处理瞬态问题、时历响应及船体大幅度运动时的非线性运动问题。 尽管关
19、于时域计算的某些基本原理及其理论基础提出并不算晚，但由于受到计算机运算速度的限制，直到 1979 年才由荷兰水池的奥塔默森在计算机上付诸实现。卡明斯的理论主要是基于脉冲响应的概念，把任一船体运动的时间历经看作由 一系列瞬时的小脉冲运动组成，同时波浪力也可看作是一系列脉冲响应的线性迭加，从而建立起运动微分方程。 1964 年，奥格维将卡明斯的思想推广到了有航速的情形， 1967 年魏浩森重新表达了无航速船舶运动的初边值问题，并应用自由面 Green 函数导出相应的积分方程，使这一思想趋于完善。在奥塔默森实现了船舶时域计算后， 1979 年查普曼推广了卡明斯的方法，在线性理论的前提下，用以计算二维
20、物体大振幅的瞬态运动， 1981 年又进而推广到三维有航速的情况。时域 Green 函数数值计算方法研究的深入和大容量高速度计算机的出现，使三维线性 时数值计算也成为可能，例如： Beck Liapis(1985， 1987)分别对零速和有航速情形进行了辐射问题的数值计算， King，Beck and Magee (1988)，张亮和戴遗山 ( 1992)分别提出了绕射问题的处理方法，并进行了数值计算。还有大量研究体现在基于时域理论模式，并考虑三维因素的线性自由面条件下的非线性问题以及所谓的完全非线性问题中。 三维水动力理论研究的方法主要为自由面 Green 函数方法和 Rankine 源方法
21、 (包括时域和频域 )。随着三维水动力理论的日臻完善，世界上主要船级社和某些科研院 校相继开发了相应的水动力分析软件。较为典型的有：挪威船级社的 SESAM/WADAM、 SESAM/WASIM， WADAM是基于三维频率的船舶运动和波浪载荷预报模块，主要解决零航速浮体 (海洋工程结构物 )的预报， WASIM 是 DNV 2002 年推出的基于三维时域 Rankin。 SESAM/WADAM 程序的核心模块，源自于 WAMIT 程序，挪威船级社在其基础上加入了适用于小尺度结构波浪载荷计算的莫里森方法。为了便于软件的使用，挪威船级社还开发了具有图形用户界面的前置处理程序 HydroD，可非常方
22、便地进行水动力分 析参数的定制。WADAM 分析结束后，还可直接调用后置处理程序 POSTRESP，完成浮体在不规则波中响应的短期预报和长期预报。近年来， SESAM/WADAM 程序为解决工程实际问题作了很多努力。为了计及“船”形浮体横摇运动的黏性阻尼效应，该程序提供了输入临界阻尼和定义横摇阻尼模型两种处理方式；为了节省计算时间，可根据浮体几何对称性简化计算；通过定义莫里森模型，计算小尺度结构的波浪载荷；可根据网格数多少，选择合适的线性方程组求解方法；根据特定需求，人工输入质量、阻尼和刚度矩阵；采用扩展的边界积分方法去除不规则频率现象；二阶定常力计算有近场方法和远场方法可供选择。特别是 SE
23、SAM/WADAM 程序可与SESAM/ SESTRA 程序 (结构分析程序 )无缝衔接，自动完成波浪载荷的加载，节省了手工加载工作。 值得注意的是，近二、三十年来，在造船界出现了船舶水弹性力学的理论模式，它统一处理船舶作为弹性体在水中的受力、运动和变形问题。水弹性力学是从五十年代考虑声波引起的结构振动响应问题中发展起来的，近年来，船舶水弹性力学成为各国学者研究的热点，从方法到程序以及试验研究都发展迅猛。浮体水弹性力学将浮体结构力学和浮体水动力学有机地结合起来，为评估柔性浮体结构的总体性能提供了一个更具一致性和合理性的方法。线本科论文 正文 6 性水弹性理论已发展得较为成熟。线性理论着重研究小
24、运动浮体及在流体中的结构频率特征处于波频范围内或大于波频频段的弹性体。但在高海况条件下浮体作大幅运动时其刚体运动引起的二阶力及瞬时湿表面变化引起的二阶流体力可能对浮体产生较大的非线性影响。另外，当海洋浮体的尺度增加，远远超过常规船舶的尺度时，他们的低频特征十分显著，在波浪中的运动也会不同于一般的浮体。在这些情况下，就有必要研究二阶及高阶波浪力对浮体水弹性响应的影响。值得一提的是，由 于船舶及海洋工程所处的流体有一些不同于声介质的特殊问题，使之在声介质中的水弹性分析方法不能现存地搬到船舶中来，正因为这些特殊性，解决船舶水弹性问题更多的困难在流体方面及祸合方面，而不在纯结构方面，也就是说，实用的船
25、舶水弹性力学，也是在水动力学有了充分的发展和必要的知识和技术储备以后才发展起来的。 1.3 SESAM 软件的简介说明 SESAM 是挪威船级社（ DNV）针对海洋平台、船舶等海上结构物开发的一个大型有限元程序系统。它具有强大的前后处理能力，能直接计算海洋波浪载荷，其有限元模块的单元类型丰富， 可以对各种结构进行分析处理。该系统主要包括建立有限元模型的前处理器、流体静力与动力分析程序及显示计算结果的后处理器等四个部分。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，解决零航速浮体（海洋工程结构物）的预报，它可以对各种船型、船
26、速进行计算和预报，其外载荷可以转换为有限元进行结构分析。 其主要特点是：高效率的交互式图形前处理器简化了有限元模型建立，节省了大量人工准备数据的时间；计算船舶波浪载荷程序可计算船舶在波浪中运动产生的各种外力载荷， 并可 直接传递到结构有限元模型上；结构分析程序可解决各种结构在个种类型载荷下的应力问题，应用多层次超单元技术求解；交互式和图形后处理不仅可提供灵活的多方面图形 方面图形以显示计算结果，而且提供了用语作最终评估的程序。该系统在不同程序模块之间的数据自动传递是通过界面文件实现，使数据传递非常灵活而有效。 在建立整船有限元分析时，由于 SESAM 系统是应用超单元子结构法，因此在划分结构分
27、段时除了根据船体结构自身特点外，还应充分考虑各级子结构能更方便地划分与装配，以节省人工的数据准备及解题的机时消耗。为了使船体各部分结构得 到较好的模拟，有限元类型的选取应根据不同结构的受力特性分别选取不同的有限元类型。由于整船结构有限元模型需模拟的船体结构非常多，必须把结构模拟简化，不可能把所有的构件的细节都进行模拟，有些结构细节对船体整体强度，尤其对船体舯部影响不大时，就应该做必要的简化，以节省人工数据准确及计算机计算时间。 1.4 课题研究背景及内容 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
28、，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，采用了应力合成的本科论文 正文 7 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。 对于矿砂船，由于其自身的结构特点，需要有一种能够考虑非等值结构扭转响应的精确的船体梁分析方法，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
29、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，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 来表达，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信度。 1.4.2 研究内容 本文主要运用了挪威船级社 (DNV)的 SESAM (Super Element Structure Analysis Modules)软件系统对 80m 矿砂船
30、外壳建立有限元模型，进行全船弯扭强度分析，包括对其进行了波浪统计预报，确定设计波，计算船体应力分布。 主要内容有： (1)整理 80m 矿砂船的图纸和资料，分析其结构特点，利用 SESAM 建立全船模型，包括几何模型、有限元模型、流体动力计算模型和质量模型，然后将全船模型导入 HYDROD 中。 (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。 (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
31、 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)对于每一设计波，利用挪威船级社 (DNV)的 SESAM 软件系统的用于线性静力和动力结构分析的子模块 SESTRA 对全船结构进行计算求解。 (5)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 本文的主要研究内容 在实际海况中，船舶运动受到诸多因素的影响，严重的摇荡运动不仅会影响船舶的运营效率，甚至会造成结构毁损或倾覆失事。研究船舶在波浪中的摇荡运动机理，主要是为设计耐波性能良好的船舶提供可靠的依据。在船舶耐波性的适居性、实际使用性、生命力的三个主要评价指标中，如下指标是设计者必须考虑和关心的：六个自由度的运动速度平均值或特征值、加速度特征值、运动速度和加速度的极值 、甲板淹湿、砰击和砰击负荷、波浪诱导振动、船体相当梁弯矩、船体挠度、局部波浪负荷、所需功率的增加、螺旋桨空转和尾轴负荷、
