双体船波浪载荷的直接设计计算

图１随∥变化（Ｊｔａｔｉｏｎ：１１，Ｆｎ；０．５９２）
图２
１疆Ｆｎ变化（ｓｔａｔｉｏｎ＝１１，ｐ：１８０。）
６２
３双体船波浪载荷的理论计算
在双体船于波浪中运动二维半理论和数值求解的基础上，根据刚体动力学平衡原理，可求解双
体船横剖面和连接桥纵向剖面上的波浪诱导载荷【３】。这些载荷可通过基于二维半理论的计算程序计 算出来。
３１双体船横剖面波浪诱导载荷
当船舶在斜浪中航行时，由于波浪作用及船体的摇荡运动，船舶横剖面内将产生波浪诱导的垂 向剪力、垂向弯矩、水平剪力、水平弯矩和扭矩（通常轴力很小，可忽略不计）Ｈ】。这些载荷对船体纵 向构件的拉伸和剪切强度、稳定性等产生直接影响。对于双体船而言，由于其横剖面结构强度储备 较大，结构安全性问题不如连接桥横向结构严重。约定横剖面载荷的指向与坐标轴同向时为正，则 双体船横剖面上的波浪诱导载荷包括垂向剪力７Ｂ，垂向弯矩７Ｍｙ，水平剪力死０，水平弯矩７Ｍｚ，
ｋ２＝０．５２５４；ｋ３＝１一面ｚ－瓦Ｏ．５瓦Ｔ＝。．６１１４；％：＝７ｍ；
（ＫＮ・小） （ＫＮ・ｍ）
因而，波浪弯矩全幅值为３４８９２ ＫＮ・ｍ。
在强度校核时，应在波浪弯矩上迭加上静水弯矩，静水弯矩．－－Ｉｖ２近似取中拱０．５ＡＬ＝９７５０翩Ｖ．ｍ． 中垂０。此时，中拱弯矩２２４７５ ＫＮ・ｍ，中垂弯矩２２１６７ ＫＮ・ｍ，因而，波浪弯矩全幅值为
中拱：Ｍ忉－－０．１９０ＷＬ２（ＢｗＬ２＋七２Ｂｔｎ）Ｃ口（ＫＮ・ｍ） 中垂：Ｍ阳窖＝ｏ．１４ＣｗＬ２ｐ昵２＋ｋ３Ｂｍ）（％＋ｏ．７）（ＫＮ・ｍ）
（４） （５）
这里，ｃ曰＝而嚣丽Ａ
吃＝ｌｌｍ；得到，
Ｍ概≈１２７２５ 肘瓣≈２２１６７
；‰＝７ｍ；Ｃａ＝０．５１２ ｋ２＝Ｉ一砸ｚ再－０忑．５万Ｔ；ｚ￣５・。ｍ；Ｇ＝０．０８Ｌ＊０．９＝３・７４４；
ａ馏≥３．０×０．１５８９×３９０＝１４．０３ｍ／ｓ２０这里，设计垂向加速度近似等于加速度１／１００极大值的平均值。
２．２
总纵垂向弯矩
对于非常规船型，或Ｌ＞５０ｍ的高速和轻型船，总纵强度必须校核。对于ｙ／４２－≥３的船只，除
了常规的波浪弯矩外，还有砰击弯矩。在强度校核时，两者必须分别满足。
（ａ）舯剖面砰击弯矩
４４６４２ＫＮ・ｍ。
２．３
总横垂向弯矩
对于１１２＿５０的双体船，总横垂向弯矩取下列公式计算值的较大者，
Ｍ订＝Ｍｓｏ（１＋二生）（ｒ３ｖ・ｍ） （６） （７）
弘２＝Ｍ。ｏ＋只（ｚｌ－０．５Ｔ）（ＫＮ・ｍ）
这里，Ｚｌ≈８．２ｍ；Ｍ，ｏ是静水横向弯矩，对船长大于５０ｍ的双体船有：
Ｍ，ｏ＝４．９１Ａ（ｙｂ－０．４Ｂｏ瑚）（ＫＮ・ｍ）
扭矩ＴＭｙ，轴力巩。
３．２双体船连接桥结构波浪诱导载荷
双体船两个片体间连接桥结构的横向强度是船体结构设计中需要重点关注的问题，也是双体船 波浪载荷和结构强度校核中主要区别于单体船的部分之一。随着双体船的大型化，结构重量控制和
连接桥结构的变形、强度、稳定性和疲劳设计之间的矛盾日益突出。
利用双体船船型、结构和重量分布的左右对称性，将双体船沿中纵剖面切开，研究连接桥结构
２．１设计垂向加速度
重心处的设计垂向加速度一般由建造者提出，但一般不小于以下值：
ａ铅２百面厶ｇ。（ｍｌｓ。）
，、
ｙ
３．２
【１）
根据ＷＰ６０预期的使用海区（Ｒ２）和用途，正取３。ＷＰ６０为两柱间长Ｌ＝５２ｍ的非常规船，
最大航速Ｖ＝３４ｋｏｎｔｓ，Ｖ／４Ｌ＝４．７１５（ｙ／√Ｌ若大于３则取３）。则设计垂向加速度
得出：（Ｍ口）切＝１８７．５・２３．８４＋５．２７５～－－－＇２３５６９（ＫＮ・ｍ）
Ｉ １＋ｏ．２ａｃｇ—ｌ
中垂弯矩：（Ｍ曰）ｓａｇ＝－拿（ｇｏ＋ａｃｇ）（ｅｒ－ｅｗ）（ＫＮ・ｍ）
这里，Ｋ＝０．６；凡＝Ｏ．６＊３７５＊０．６５５４＝１４７．５ｍ２
（３）
ＷＰ６０艏部片体宽度变化较大，对于片体砰击面积Ａ足／２／２＝３６．８８ｍ２，近似取底边宽为３．５ｍ 的三角形为砰击区域，则该区域中心距艉３８．０ｍ；艉部片体宽度变化不大，对于同样的面积，其中 心距艉５．２７ｍ，则ｅｒ≈１６．３７ｍ，其余参数同上，得出：（Ｍ口）埘＝１８７．５・２３．８３・４．９５砣２１１７ （ＫＮ・，，１） 因而，砰击弯矩全幅值为４５６８６ＫＮ・ｍ （ｂ）舯剖面波浪弯矩 中垂、中拱波浪弯矩计算中要求考虑所有可能在水和离水的结构。计算是基于它的最简单的形 式：利用预报的升沉、纵摇相位差和通过船体的遭遇波，包括纵摇角和惯性力的影响。双体船的计 算公式是：
双体船波浪载荷的直接设计计算
耿彦超，顾学康，汪雪良
（中国船舶重工集团公司第七Ｏ－－研究所，江苏无锡， ２１４０８２）
摘要
本文分别应用ＤＮＶ规范和二维半理论程序计算了ＷＰ６０穿浪双体船的波浪载荷，并把二者计算结果 相结合提出了双体船的波浪载荷直接设计计算方法，为双体船有限元分析打下基础。
关键词：
双体船；波浪载荷；规范；直接设计计算
其中最主要的原因就是设计波浪载荷的确定过程缺少合理的依据。
４．２双体船波浪载荷直接设计计算方法
以下针对双体船的波浪载荷特点，对单体船的波浪载荷直接设计计算方法进行拓展，提出双体 船波浪载荷直接设计计算的初步方法，为以后系统性的分析和研究双体船结构直接设计计算方法（包 括结构强度分析和强度衡准等）打下基础。 双体船在波浪中运动时，在同一工况下各个波浪载荷响应和入射波之间存在着不同的相位差。 当某一个主波浪载荷达到最大时，其它波浪载荷不一定达到最大。在进行结构强度分析时，如果将 这些波浪载荷的最大值同时作用于结构上，则结构设计会过于保守；如果在主波浪载荷施加后不计 其它波浪载荷，则结构设计过于危险。对双体船总纵强度而言，以横剖面总纵垂向弯矩为ＴＭ，为主 载荷，在规则波中各波浪弯矩随时间的变化规律为：
纵向剖面上的波浪诱导载荷，约定纵向剖面载荷的指向与坐标轴同向时为正，由文献【５】可知连接桥
中纵剖面的载荷包括：总横垂向弯矩（由两片体相对横摇引起）ＬＭ，、纵摇有关扭矩（片体不同步 纵摇引起）上。Ｍｙ、艏摇弯矩（由两个片体不同步艏摇引起）上肘ｚ、横向对开力（由两个片体不同 步横荡引起）Ｌ０、总横垂向剪力（由两片体不同步垂荡引起）￡疋和纵向剪力（由两个片体不同 步纵荡引起）ＬＲ。
２按照ＤＮＶ规范计算ＷＰ６０双体船的设计波浪载荷
不同规范对同一条双体船的波浪载荷设计公式和计算结果差别明显，这些设计公式尽管可能基 于一定的模型试验、计算或者实船使用的经验，但和单体船相比，由于双体船型的多样性、参数的 多变和实船使用经验的不足，规范计算公式有时不能给出合理的波浪载荷设计值，对双体船结构安 全性和建造的经济性带来不利的影响。另外，双体船除了单体船船体结构设计中涉及的横剖面垂向 载荷（对一般船体）、横剖面横向和扭转载荷（对甲板大开口船体）外，还有独特的连接桥结构载 荷。双体船在海上航行过程中，这些载荷往往联合作用于船体，形成非常复杂的载荷组合形式。在 利用规范进行双体船结构强度校核时，一般仅对结构在典型的载荷（如横剖面垂向弯矩、中纵剖面 总横垂向弯矩等）作用下的强度进行单独的校核，不能反映船体结构的实际受载情况，增加了船体 结构强度校核中的不确定度。因此，提出和开展双体船船体结构波浪载荷的直接设计计算方法研究， 具有十分重要的理论和工程意义。
４双体船波浪载荷的直接设计计算方法
４．１波浪载荷的直接设计计算方法
自１７６０年船级社诞生以来，船级社对船舶结构的设计要求在不断地变化，船级社２５０多年的历 史就是一个对船舶设计由“经验”到“半经验＋经典理论”再到“半经验＋经典理论＋计算力学（直接设 计计算方法）”的过程陋】。目前，单体船舶结构的波浪载荷直接设计计算方法已经比较成熟，并且在 大型单体民船上已经得到了广泛的应用，但在双体船结构设计载荷的确定过程中，还没有见到系统 和具体的直接设计计算方法。 一般认为，经验、半经验设计方法的主要优点是方法简单、利用了大量宝贵的实船使用经验（对 于双体船，实船使用经验往往不多）；经典理论的主要优点是已经开始理解性地利用船舶的使用数据， 结合经典力学和数学知识。简化船舶的目标特征，建立简单的、理想化的数学模型，给出船舶结构 设计计算方法。它们的主要缺点是对新船型（包括主尺度、线型、航速、重量分布、使用环境和使 命特征等）的适用性无法确认，对复杂结构无法给出合理的简化方法，对常规船型和结构的设计计 算十分粗放（仅和船舶的几个主要参数有关）且无法确认结构的真实安全裕度（设计实践和实船试 验表明，往往结构强度分布严重不均匀，盲目加强结构造成结构重量不断增加，但结构薄弱环节依 然存在）。在我国的双体船设计和使用实践中，随着船体主尺度的增大，结构设计的难度不断增加，
分类号：Ｕ６６１．４
文献标识码：Ａ
１引
言
目前，国际上一些著名的船级社已经发展了针对高性能船的结构设计规范，其中包括了双体船 的设计波浪载荷的计算方法。然而，和已经具有很长发展历史的单体船和具有一百多年历史的单体 船船体结构设计规范相比，人们对高性能双体船波浪载荷的研究还很不充分，相应的规范设计方法 也很不成熟，规范给出的对相同船舶的设计载荷之间的差别比较明显，给研究和设计者带来困惑， 船舶在海上航行的安全陛也存在疑问…。 本文首先按照ＤＮＶ规范皿ｌ计算了ｗＰ６０双体船的设计波浪载荷，然后基于规范计算与理论计算相 结合提出双体船波浪载荷的直接设计计算方法，为进一步系统地发展双体船的结构直接设计计算方 法（包括结构强度分析和强度衡准等）打下了基础。
４，盈，．．…磊为各载荷响应与波浪之间的相位差，ｃｏ为波浪遭遇频率。 通过对ＷＰ６０穿浪双体船在不同航向、不同航速下的总纵垂向弯矩计算，可以发现：总纵垂向 弯矩在顶浪、高速时达到最大（如图ｌ一２），在船舯剖面附近达到最大（如图３）；总纵垂向弯矩在顶 浪时的传递函数在波长船长比允，Ｌ＝Ｉ．２时达到峰值（０．０５６７）（如图４）ｏ
（８）
其中：Ａ＝３７５ｔ；％＝（１８—３．５）／２＝７．２５ｍ，Ｂ＝１８ｍ。这样：Ｍ，ｏ＝４．９１ｘ３７５×（７．２５—０．４ｘ１８０‘韶）