超大型船舶弹振和颤振的三维时域非线性水弹性分析

随着船舶主尺度的增大、高强度钢使用比例的增加，船体梁的弯曲刚度相对降低，其总振动固有频率下降到相当低的程度。另一方面，船舶的航速也在不断提高，使得波浪遭遇频率更接近船体总振动固有频率，因此在波浪中航行的超大型船舶（例如矿砂船和集装箱船）往往会出现弹振（Spring）和颤振（Whipping）现象，可能会对船体总强度和疲劳强度造成威胁。根据弹振和颤振产生的机理，本项目以三维时域水弹性理论为基础，结合Rankine源方法，在考虑航速效应、物面非线性以及结构弹性变形的同时，完善了基于试验回归公式的砰击载荷计算方法，将砰击力计入广义流固耦合运动方程中，从而形成适用于船体弹振和颤振响应分析的三维时域非线性水弹性分析方法。在此基础上，研究弹振和颤振对船体结构强度的影响，探讨了适用于高频非线性载荷作用下的船体疲劳强度分析方法。

中文摘要：.随着船舶主尺度的增大、高强度钢和复合材料的广泛应用，船体梁的弯曲刚度相对降低，固有频率下降到相当低的程度，这都使得结构的弹性变形与流体的耦合作用效果愈加显著。另一方面，船舶的航速也在不断提高，使得波浪遭遇频率更接近船体总振动固有频率，因此在波浪中航行的超大型船舶（例如矿砂船和集装箱船）往往会出现弹振（Spring）和颤振（Whipping）现象，可能会对船体总强度和疲劳强度造成威胁。此时的载荷响应呈现极强的非线性特征，因此，目前急需一种能够计及船体弹性效应的非线性载荷预报方法。.1）为分析船体振动引起的弹振和颤振响应，基于三维势流理论，考虑瞬时物面，入射波力、静水恢复力和砰击力等非线性因素，提出了一种规则波中三维非线性时域水弹性分析方法，并将规则波中的三维非线性时域水弹性预报方法拓展到不规则波中。为计及不同频率对船体载荷响应的影响，提出一种用半解析法对高频流体阻尼进行截断处理的方式来考虑波浪记忆效应，并通过时域卷积积分原理对船体作用力进行计算，提出一种可以预报不规则波的三维非线性时域水弹性分析方法；.2）以13条大型船舶为算例，运用上述三维时域非线性水弹性理论，通过不规则波中船体结构的应力响应计算，结合雨流计数法和疲劳线性累计损伤理论，提出了计及弹振（Spring）和颤振（Whipping）效应的船体结构疲劳损伤计算方法，并研究其对超大型船舶的疲劳强度的影响。最后结合HCSR规范，给出了船体结构疲劳载荷计算公式的修正建议。