波激振动和砰击颤振对船体结构疲劳强度影响计算指南 (1)

中 国 船 级 社波激振动和砰击颤振对船体结构疲劳强度影响计算指南北京2015年1月指导性文件GUIDANCE NOTESGD01-2015简要编写说明船舶在海浪环境的波浪力作用下会产生波激振动和砰击颤振现象（对该现象的介绍见正文第1章），这种现象将对船舶结构疲劳寿命产生影响。

本社就波激振动和砰击颤振对船体结构疲劳强度的影响进行了相关研究，该研究包括模型水池试验研究和理论计算分析。

研究表明：波激和砰击诱导船体梁振动所产生的垂向波浪弯矩高频分量对船体结构疲劳损伤有一定的贡献。

基于上述研究并参考国内外该领域的研究成果，本社编制了《波激振动和砰击颤振对船体结构疲劳强度影响计算指南》，本指南旨在为评估波激和砰击诱导的船舶振动对结构疲劳的影响提供计算指导性文件。

本指南采用载荷直接计算、水弹性分析和疲劳损伤等效的方法算得波激振动和砰击颤振对疲劳强度影响相关的垂向波浪弯矩的影响系数。

本指南应与本社的相关疲劳评估指南或规范一并使用进行船舶结构的疲劳评估。

目 录第1章 波激振动和砰击颤振现象 (1)1.1 波激振动现象 (1)1.2 砰击颤振现象 (1)第2章 一般要求 (2)2.1 适用范围 (2)2.2 基本假定 (3)2.3 波激振动和砰击颤振计算要求 (3)2.4 波激振动和砰击颤振对疲劳强度影响计算流程 (3)2.5 符号规定 (4)第3章 基本条件 (5)3.1 装载工况 (5)3.2 波浪环境 (6)3.3 S-N曲线 (6)第4章 线性波激振动对船体结构疲劳强度影响计算 (6)4.1 疲劳损伤计算 (6)4.2 线性波激振动对疲劳损伤的贡献度 (10)第5章 非线性砰击颤振和波激振动对船体结构疲劳强度影响计算 (10)5.1 应力响应 (10)5.2 疲劳损伤计算 (10)5.3 非线性砰击颤振和波激振动对疲劳损伤的贡献度 (11)第6章 船体结构疲劳强度评估 (11)6.1 计及线性波激振动影响的疲劳强度评估 (11)6.2 计及非线性砰击颤振和波激振动影响的疲劳强度评估 (12)附录波激振动和砰击颤振计算参数 (13)第1章 波激振动和砰击颤振现象1.1 波激振动现象1.1.1 当船体结构刚度较低、航速较高时，船体结构在波浪力激励下会产生所谓的“波激振动”现象。

这是一种船体结构与波浪载荷间的共振现象，由于船体结构是一个小阻尼系统，共振现象持续时间较长。

波激振动一般在船体一阶总振动频率等于或接近船舶在波浪中航行时波浪遭遇频率时发生，也就是线性波激振动；当船体一阶总振动频率等于或接近波浪遭遇频率（规则波）的整数倍或双色（或多色）规则波的和频时，船体也会产生波激振动，即为非线性波激振动。

1.1.2 波激振动一般在中低浪级下发生，主要影响结构的疲劳强度。

船舶模型水池试验时测量到的船中剖面垂向弯矩波激振动响应时域曲线见图 1.1.2，图中的低频曲线为波浪弯矩的低频（波频）分量。

测量曲线中包含了明显的船体梁总振动成分，经滤波处理后获得高频（船体梁一阶总振动频率）分量曲线，且持续出现、没有明显的衰减，是一种波激振动现象。

1.1.3线性波激振动可采用线性频域水弹性谱分析方法进行计算预报。

图1.1.2 典型波激振动垂向弯矩时域曲线1.2 砰击颤振现象1.2.1 船舶在海上航行过程中，由于受波浪的作用，船体进行六自由度运动，船体结构会产生变形。

在一般情况下，船体受到的波浪载荷和结构中的应力应变随时间的变化是一Time(s)V B M (k g .c m )Time(s)V B M (k g .c m )个缓慢的、随机的、与波浪特征一致的过程。

当船体以较高航速在中高浪级中航行时，剧烈的船波相对运动会使船体受到波浪的冲击，船体由于砰击载荷的作用而发生振颤，产生所谓的“颤振”现象。

这种现象产生于砰击瞬时，由于船体和水动力阻尼的存在而快速衰减。

1.2.2颤振不仅使船体结构中的总应力水平达到较高的量级，影响结构极限强度，而且其高频特征（主要是船体梁一阶垂向总振动频率）也会影响结构的疲劳强度。

船舶模型水池试验时测量到的船中剖面垂向弯矩砰击颤振响应时域测量曲线见图 1.2.2，图中的低频曲线为波浪弯矩的低频（波频）分量。

测量曲线中包含了明显的船体梁总振动成分，经滤波处理后获得高频（船体梁总振动频率）分量曲线，且有明显的衰减，是一种砰击颤振现象。

1.2.3由于砰击颤振的强非线性特征，应采用非线性时域水弹性和统计分析方法进行计算预报。

垂向弯矩测量曲线低频分量高频分量图1.2.2 典型砰击颤振垂向弯矩时域曲线第2章 一般要求2.1适用范围2.1.1本指南规定了波激振动和砰击颤振对船体结构疲劳强度影响的计算方法，适用于申请2.1.2附加标志的船舶。

2.1.2附加标志按照本指南6.1进行疲劳评估的船舶，可授予附加标志SAF。

按照本指南6.2进行疲劳评估的船舶，可授予附加标志SWAF。

2.1.3本指南应与本社相关疲劳评估指南或规范一并使用进行船舶结构的疲劳评估。

2.2基本假定2.2.1仅考虑波激振动和砰击颤振对船体梁垂向波浪弯矩的影响。

2.2.2载荷直接计算方法应用于波激和砰击效应的影响分析。

2.2.3用于计算波激振动和砰击颤振对疲劳强度影响的疲劳强度计算方法、海浪环境、S-N曲线、评估节点、设计疲劳寿命等应与本社相应的疲劳评估指南或规范的规定一致。

2.2.4计及波激振动和砰击颤振影响的疲劳评估衡准应与本社相应的疲劳评估指南或规范的规定一致。

2.2.5船体梁垂向振动应取至少前三阶振型。

2.3波激振动和砰击颤振计算要求2.3.1水动力计算（1） 如采用三维水动力模型计算，其网格划分应考虑与最小遭遇波长、航速及不规则波频的匹配，以达到稳定收敛的数值解。

（2） 应根据稳性手册校验每种计算工况下水动力模型的首尾吃水、重心、重量分布以及横摇和纵摇惯性半径。

（3） 初稳性高应考虑对未装满液舱的自由液面修正。

（4） 粘性横摇阻尼可采用试验或经验公式确定，如没有适用的系数，可取为5%的临界阻尼值。

2.3.2振动模态计算可将船体结构简化为两端自由的变截面梁模型（至少21个剖面），一般可采用迁移矩阵法或有限元方法计算船体梁振动的干模态，并应考虑船体长度方向上的重量分布、剖面惯性矩、剖面弯曲刚度及剪切刚度。

2.3.3船体结构的应力响应可采用梁模型或有限元等方法进行计算。

2.3.4结构阻尼可采用试验或经验公式确定，如无适用的系数，可分别取1%和3%临界阻尼值用于压载和满载工况。

2.4波激振动和砰击颤振对疲劳强度影响计算流程2.4.1计及线性波激振动影响的船舶结构疲劳强度评估基于线性水弹性理论和谱分析方法，计算船体梁垂向波浪弯矩。

算得的波浪弯矩包含低频和高频分量，其中，低频分量为不含波激振动影响的垂向波浪弯矩（即，波频分量），高频分量为波激振动诱导的垂向波浪弯矩，总弯矩为包含低频分量和高频分量的垂向波浪弯矩。

分别将垂向波浪弯矩的波频分量和总弯矩的响应应用于疲劳损伤计算，并按如下流程分析波激振动对船体结构疲劳强度的影响。

（1） 确定装载工况和航速等。

（2） 选取波浪环境资料，如，海浪散布图、海浪谱等。

（3） 计算垂向波浪弯矩低频分量及其诱导应力传递函数（RAO）、应力响应统计值和疲劳损伤。

（4） 计算船体水弹性总弯矩及其诱导应力传递函数（RAO）、应力响应统计值和疲劳损伤。

（5） 计算线性波激振动对疲劳损伤贡献度和影响系数。

（6） 计及线性波激振动影响的疲劳强度评估。

2.4.2计及非线性砰击颤振和波激振动影响的船舶结构疲劳强度评估基于非线性波浪载荷时域分析方法，计算船体梁垂向波浪弯矩的时间历程，该波浪弯矩包含砰击颤振和波激振动诱导弯矩。

算得的波浪弯矩包含低频和高频分量，其中，低频分量为不含砰击颤振和波激振动影响的垂向波浪弯矩（即，波频分量），高频分量为砰击颤振和波激振动诱导的垂向波浪弯矩，总弯矩为包含低频分量和高频分量的垂向波浪弯矩。

分别将垂向波浪弯矩波频分量和总弯矩的应力响应应用于疲劳损伤计算，并按如下流程分析砰击颤振和波激振动对船体结构疲劳强度的影响。

（1） 确定装载工况和航速等。

（2） 选取波浪环境资料，如，海浪散布图、海浪谱。

（3） 计算各装载工况、海况和浪向下低频垂向波浪弯矩及其诱导应力的时间历程、相应的疲劳累积损伤和总疲劳损伤。

（4） 计算各装载工况、海况和浪向下总弯矩及其诱导应力的时间历程、相应的疲劳累积损伤和总疲劳损伤。

（5） 计算非线性砰击颤振和波激振动对疲劳损伤贡献度和影响系数。

（6） 计及非线性砰击颤振和波激振动影响的疲劳强度评估。

2.5符号规定—— 浪向角，随浪为0°，迎浪为180°；—— 计算航速，m/s，见3.2.3的定义，取不小于5kn；—— 船舶最大服务航速，m/s，为船舶在最深航行吃水、螺旋桨最大转速（RPM）和主机的相应最大持续功率（MCR）所保持的最大航速；g —— 重力加速度，取为9.81 m/s ；—— 波浪圆频率，rad/s；—— 有义波高，m；—— 应力范围，N/mm ；—— 对应于S的疲劳失效循环次数；、 —— S‐N曲线常数，见3.3.2；—— S‐N 曲线反斜率，见3.3.2；—— S‐N 曲线两段反斜率差，见3.3.2；—— S‐N曲线二线段交点处的应力范围值，N/mm ，见3.3.2；, —— 不完全GAMMA函数值；—— 完全GAMMA函数值；—— 计算疲劳寿命，以秒计，取为3.1557 10 ；—— 设计疲劳寿命，年；—— 船舶海上航行时间比例系数，可取为0.85或与本社相应的疲劳评估指南或规范规定一致；—— 分别为装载工况总数、海况总数、浪向总数；、 、ℎ、 、 —— 分别为第n装载工况、第j海况、第i浪向的发生概率；∆ , —— 船体梁垂向波浪弯矩产生的应力范围，N/mm ，根据本社相应的疲劳评估指南或规范要求获得；—— 应力范围长期Weibull分布的形状参数，根据本社相应的疲劳评估指南或规范规定选取；——对应于相应超越概率水平的循环数，根据本社相应的疲劳评估指南或规范规定选取。

第3章 基本条件3.1装载工况3.1.1用于本指南的装载工况一般应与本社相应疲劳评估指南或规范的规定一致，特殊情况另行考虑。

3.2 波浪环境3.2.1 海浪散布图海浪环境应与本社相应的疲劳评估指南或规范的规定一致。

北大西洋海浪环境可采用IACS Rec.34推荐的海浪散布图。

3.2.2 海浪谱海浪的功率谱密度函数一般采用有义波高 和平均跨零周期 表征的双参数P-M 谱，如下式：124 496 实际响应频率为遭遇频率 ，与波浪圆频率 之间的关系为：1g3.2.3 航速 波激振动和砰击颤振计算一般采用如下四种计算航速：V 100% 当0 6.0m 时 75% 当6.0m 9.0m 时 50%25%当9.0m 12.0m 时当12.0m 时 3.2.4 浪向角除实际船舶设计中指定各浪向角和相应的发生概率以外，一般在0至360度之间，取浪向角间隔不大于30度，各浪向角的发生概率相等。