1、 本科毕业论文 （ 20 届） 76m 吸沙船波浪载荷计算 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 - 2 - 摘要 波浪载荷是船舶结构设计中需要考虑的重要载荷。 在船舶航行中，波浪载荷对船舶的有一定影响，如果能够精确的计算出在不同工况 下， 不同剖面和浪向角对垂向剪力，垂向弯矩和扭矩的影响情况，就能为船舶的设计提供很大的帮助。 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，船体外壳受到的延船长方向上的剪力，弯矩和扭矩的大小，最
2、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 - 3 - Calculation of Ship Wave load for 76m Suck sand 【 Abstract】 Wave loads should be considered as an important one in a structural design. When a ship is navigating, the wave loads have some effect on
3、ship sailing, if we can calculate precisely ship on different load conditions, the different profiles and wave angle to the vertical shear force ,vertical moment and torque of the impact of the situation, it will be able to provide a great help for the design of the ship . This article used SESAM/GE
4、NIE software to build the hull and divided into grid ,the hull mode l b e imported into HYDRO,come running:In different conditions, the ship have shear force, moment and torque in different profiles and different wave angle, at last ,use excel software draw shear force moment and torque diagram, by
5、the analysis of these diagram ,getting the maximum and minim um vertical shear force ,vertical moment and the maximum torque of the ship, getting the correct value of the prediction of wave loads. keywords ship wave load; SESAM; moment; shearing force - 4 - 一 绪 论 1.1 前 言 船舶运动时，波浪载荷的准确预报一定程度上影响到船舶的设计
6、工作。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的结构强度而又经济实用的船体。船舶在海上经历六个自由度的刚体运动 :纵荡、横荡、垂荡、纵摇、横摇和首摇 。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，最初的步骤是确定船体的静水和波浪诱导载荷。船体将在其运营期中承受这两种载荷的极端情况，这将导致船体可能的疲劳及破损，这正是我们所关心的问题。 船舶的设计载荷被定义为船舶运营期间一定概率水平下的载荷。为了得到这些设计载荷，波浪环境被离散为各种固定的海况。船舶的统计特性，如船速、浪向角以
7、及波浪干扰力等在各种固定的海况下是常量。通常，保持上述统计值，将船舶置于一定海况的海水中数小时可以得到相应的设计载荷，这被 称为短期统计。船舶在其运营期将要遭遇的波浪环境可以由短期值整合而成。以极值表示的结果表现为响应峰值的分布。对于疲劳问题，此结果将表现为基于船舶遭受的载荷周期数目，以及相关的应力幅值的累积损伤。对于频域方法，载荷的预报涉及响应幅度算子的确定。给定波浪频谱，根据响应幅度算子可以确定船体的运动响应。 目前，已有许多三维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，
8、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。综上所述，准确的计算与研究吸沙船的运动和波浪载荷，对保证船舶工作安全性具有十分重要的意义。 - 5 - 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。 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。这主要体现在以下两个方面。 一是结构设计方法逐渐由传统的规范设计向“理性”结构设计转变。长
9、期以来，船舶结构设计主要是经验性的设计，它以所积累的经验和船舶的特性为基础，而设计方法则以各船级社颁布的结构设计规范表示出来。这些规范为确定船舶结构尺寸提供了许多简单方便的公式，节省了设计时间和船级社的审查时间。为保证船舶结构具有足够的强度，采用许用应力法进行强度校核。正如文献指出的那样，完全按规范进行设计存在着某些明显的缺点和不足 : (1)由于结构失效模式多种多样，复杂而又互相关联，使用规范中的简单公式设计的结构的安全裕度仍是个未知数 。 (2)应用规范中公式的目的只是为了避免结构的失效，但是为了达到这个目的，通常有多种方法，采用隐含在规范公式中的特定方法，可能不是最合适的。 (3)规范公
10、式中包含大量的简化假设，只能在一定范围内应用，超出这些范围，它们往往不一定正确。 因此，需要一个科学的、强有力的和通用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的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，并且结合结构要达到的目标综合这些信息，产生既保证足够安全又达到最优目标的设计。同时，我们也
11、应注意到这种设计方法对外载荷计算、结构强度计算方法以及强度衡准提出了更高的要求。船舶结构设计原理的另一个变革是强度计算方法由确定性方法向可靠性方法转变。在传统这是一种确定性方法，它使得在过大的程度上，在很多人心目中，“应力”几乎成为“强度”的同义 词了。这是不恰当的，它势必掩盖在结构性能中会存在多方面不足的事实，而其中没有哪一个应该被忽视。实际上，在船舶结构设计计算中存在着很多不确定性因素。合理的作法应当是将作用于结构的载荷或要求 (Demand)，以及结构的强度或能力 (Capability)，都作为服从某一概率分布的随机变量，从而计算出“能力比载荷小”这一事件出现的可能性的大- 6 - 小
12、一结构失效概率。这就是结构可靠性方法的基本原理。结构可靠性原理显然提出了一个新的概念，即实际结构的安全性是以概率形式来表达的，它明确承认结构存在着一定的失效可能，对结构安全度估 计得更确切了。 船舶结构设计原理的上述变革促进了对波浪载荷计算方法、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展对外载荷计算提出了更高的要求。当采用梁理论评估船体强度时，船体横
13、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载荷中，船体表面波动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。本文拟在这方面做一些工作。 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
14、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
15、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。 - 7 - 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
16、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。 - 8 - 1.4 课题研究背景、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
17、，其受力是相当复杂的，特别是波浪载荷的不确定性。 对于吸沙船，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
18、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 Elemernt Structure Analysis Modules)软件系统对 76m 吸沙船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 76m 吸沙船的图纸和资料，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
19、，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。 - 9 - (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)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 SES
20、TRA 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 本文工作简介 本文使用 SESAM/GENIE 软件为吸沙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实用的分析软件， 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
21、性分析中的频域载荷、非线性分析中的载荷时历。 采用 SESEAM 软件计算吸沙船的波浪载荷预报，最重要的工作就是准确无误的采用 GENIE 建立吸沙船的有限元模型，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 有限元分析软件，然后建立船体外壳的有限元模型，进而平台的水动力计算，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 GENIE 和 HYDROD。 第二阶段：建造一条船体外壳模型，加载荷及水动力，来进行波浪载荷的计算。 第三阶段：将计算得到的数据进行分析，
22、列表并画图。 二 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- 10 - 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 (St
23、okes)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 Stokes 五阶波理论和随机波浪谱。 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 2-0 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， 。此外，也常使用波浪的圆频率 及波数 两个参数。 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 。 应满足 Laplace 方程。 (2-1) 并 应满足下列边界条件： 1、海域底部的运动边界条件 在海底上的流体质点不能超过固体边界，只能沿着边界的切线方向运动，即在 z=-d 处垂直于固体边界的法向速度为零，即
