基于谱分析法的小水线面双体船疲劳强度评估
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1 疲劳强度谱分析方法
小 水 线 面 双 体 船 作 业 环 境 复 杂 ，经 受 风 、浪 、流 的 共 同 作 用 ，造 成 小 水 线 面 双 体 船 构 件 疲 劳 失 效 的 疲 劳 载 荷 中 最 关 键 的 部 分 为 波 浪 载 荷 。应 用 谱 分 析 法 评 估 疲 劳 强 度 的 要 点 是 波 浪 谱 的 选 取 、应力响 应传递函数计算和疲劳损伤度的计算。
6 0 卷 第 3 期 （总 第 2 3 1 期) 2019年 9 月
文 章 编 号 ：1000-4882 (2019) 03-0105-08
中 国造船 SH IPBU ILD IN G O F CH INA
V ol.60 N o .3 (S e ria l N o . 231) S ep .2019
在波浪载荷短期和长期预报时使用波浪散布图表示海域的波浪统计特性。波浪散布图是短期海况 信 息 的 集 合 ，每 个 短 期 海 况 通 常 由 它 的 波 浪 特 征 高 度 和 波 浪 特 征 周 期 确 定 ，一 般 使 用 有 义 波 高 巧 和 平 均 跨 零 周 期 rz , 每 一 组 (巧 ，L )可以描述一种海况。事实上，在一个海况下，一 个 rz 值往往有几个不 同 的 巧 值 。在同一个海域一年中各海况出现的次数不同，根据各海况(H s，rz)的出现次数或出现的概率
收 稿 日 期 ：2018-11*06:修改稿收稿日期：2019-08*02
106
中 国造船
学术论文
1 . 1 波浪谱 在无限航区和开放海域，海域波浪的功率谱密度可采用两参数的Pierson-Moskowitz谱 （简称P -M 谱 ），
这 是 国 际 船 舶 结 构 会 议 （International Ship Structure Congress，ISSC) 推荐使用的波浪谱。P-M 谱的一种 参数表示形式为
S ^ co,0)^S (((〇)-G(0)
(2)
式 中 ， （?(0)为 方 向 分 布 函 数 ，通 常 认 为 波 浪 能 量 在 主 波 向 的 ±兰 范 围 内 扩 散 。 。工程上最常用的方向分布函数的形式为
满足条件：
Hale Waihona Puke BaiduG (0) = k c o s n0
(3)
国际船舶结构会议(ISSC)建 议 采用以下两组n , A:的值 ： « = 2，禽 =2/兀 或 《= 4，灸 =8/371,本 文 采 用 《= 2的 方 向 分 布 函 数 。
关 键 词 ：小水线面双体船；有限元；谱分析法；疲劳强度
中 图 分 类 号 ：U661.31
文献标识码： A
〇 引言
小 水 线 面 双 体 船 （s m a l l - w a t e r p l a n e - a r e a t w i n h u l l , S W A T H ) 是 近 年 来 得 到 快 速 发 展 的 高 科 技 、 商 附 加 值 、高 性 能 船 型 。近 年 来 小 水 线 面 双 体 船 有 着 向 大 型 化 方 向 发 展 的 趋 势 ，但小水线面 双 体 船 所 受 载 荷 复 杂 ，其 复 杂 的 结 构 型 式 使 得 小 水 线 面 双 体 船 疲 劳 强 度 问 题 尤 为 突 出 。
2 丌、 〇) exp
，2 冗、 4
( 1)
4丌
Tz
式中， //s为有义波高， 7；为平均跨零周期， 《为圆频率。 波 浪 的 方 向 谱 表 示 波 浪 能 量 在 波 浪 频 率 和 组 合 波 传 播 方 向 上 的 分 布 。测 量 波 浪 能 量 在 传 播 方 向 上
分布的难度较大， 目前经常使用的方向谱的表达形式为
美 国 船 级 社 （A m e r i c a n B u r e a u o f , S h i p p i n g A B S ) 和 中 国 船 级 社 （C h i n a C l a s s i f i c a t i o n S o c i e t y , C C S ) 针 对 S W A T H 船 都 有 相 应 规 范 ，但 规 范 中 对 疲 劳 强 度 计 算 方 法 只 做 了 简 要 规 定 [1_2]。张 浩 辉 等 [3]基 于 C C S 疲 劳 规 范 ， 针 对 某 S W A T H 船 的 疲 劳 强 度 进 行 了 计 算 。 甄 春 博 等 [4]针 对 某 S W A T H 船 ， 采 用 简 化 计 算 方 法 和 直 接 计 算 方 法 进 行 了 疲 劳 强 度 分 析 ， 并 设 计 了 相 应 的 实 尺 度 疲 劳 试 验 。 徐 志 亭 [5]较 为 全 面 地 研 宄 了 某 S W A T H 船的 疲 劳 强 度 评 估 的 简 化 方 法 和 直 接 计 算 法 ，并 对 疲 劳 热 点 进 行 了 结 构 优 化 。疲劳强度 计 算 中 ，采 用 谱 分 析 方 法 可 以 真 实 考 虑 到 不 同 装 载 、波 频 、航 向 等 工 况 对 疲 劳 损 伤 的 影 响 。因 此 ，本 文 针 对 一 艘 2 2 0 0 吨级无限航区的 小 水 线 面 双 体 船 ，对主体典型结构疲劳热点采用谱分析法进行疲劳 强度分析，以期更准确的计算热点疲劳寿命。
基于谱分析法的小水线面双体船疲劳强度评估
张 海 华 ， 郦 羽 ，邬 婷 ，程 红 蓉
( 中 国 船 舶 科 学 研 究 中 心 上 海 分 部 ，上 海 200011 )
摘要
为 了 准 确 反 应 小 水 线 面 双 体 船 的 结 构 型 式 和 所 受 载 荷 对 疲 劳 强 度 的 影 响 ，采 用 谱 分 析 法 对 一 条 2 2 0 0 吨 级的小水线面双体船进行疲劳寿命计算。基于整船有限元分析结果和疲劳热点选取原则选取热点；计算不同 浪 向 和 波 频 下 的 疲 劳 热 点 应 力 传 递 函 数 ，确 定 双 参 数 P - M 波 浪 谱 下 的 应 力 响 应 谱 ；计 算 该 海 区 的 疲 劳 累 积 损 伤 度 •研 究 结 果 表 明 ，所 设 计 小 水 线 面 双 体 船 疲 劳 强 度 满 足 要 求 ，该 计 算 方 法 可 为 小 水 线 面 双 体 船 的 整 船 结 构设计提供参考.
小 水 线 面 双 体 船 作 业 环 境 复 杂 ，经 受 风 、浪 、流 的 共 同 作 用 ，造 成 小 水 线 面 双 体 船 构 件 疲 劳 失 效 的 疲 劳 载 荷 中 最 关 键 的 部 分 为 波 浪 载 荷 。应 用 谱 分 析 法 评 估 疲 劳 强 度 的 要 点 是 波 浪 谱 的 选 取 、应力响 应传递函数计算和疲劳损伤度的计算。
6 0 卷 第 3 期 （总 第 2 3 1 期) 2019年 9 月
文 章 编 号 ：1000-4882 (2019) 03-0105-08
中 国造船 SH IPBU ILD IN G O F CH INA
V ol.60 N o .3 (S e ria l N o . 231) S ep .2019
在波浪载荷短期和长期预报时使用波浪散布图表示海域的波浪统计特性。波浪散布图是短期海况 信 息 的 集 合 ，每 个 短 期 海 况 通 常 由 它 的 波 浪 特 征 高 度 和 波 浪 特 征 周 期 确 定 ，一 般 使 用 有 义 波 高 巧 和 平 均 跨 零 周 期 rz , 每 一 组 (巧 ，L )可以描述一种海况。事实上，在一个海况下，一 个 rz 值往往有几个不 同 的 巧 值 。在同一个海域一年中各海况出现的次数不同，根据各海况(H s，rz)的出现次数或出现的概率
收 稿 日 期 ：2018-11*06:修改稿收稿日期：2019-08*02
106
中 国造船
学术论文
1 . 1 波浪谱 在无限航区和开放海域，海域波浪的功率谱密度可采用两参数的Pierson-Moskowitz谱 （简称P -M 谱 ），
这 是 国 际 船 舶 结 构 会 议 （International Ship Structure Congress，ISSC) 推荐使用的波浪谱。P-M 谱的一种 参数表示形式为
S ^ co,0)^S (((〇)-G(0)
(2)
式 中 ， （?(0)为 方 向 分 布 函 数 ，通 常 认 为 波 浪 能 量 在 主 波 向 的 ±兰 范 围 内 扩 散 。 。工程上最常用的方向分布函数的形式为
满足条件：
Hale Waihona Puke BaiduG (0) = k c o s n0
(3)
国际船舶结构会议(ISSC)建 议 采用以下两组n , A:的值 ： « = 2，禽 =2/兀 或 《= 4，灸 =8/371,本 文 采 用 《= 2的 方 向 分 布 函 数 。
关 键 词 ：小水线面双体船；有限元；谱分析法；疲劳强度
中 图 分 类 号 ：U661.31
文献标识码： A
〇 引言
小 水 线 面 双 体 船 （s m a l l - w a t e r p l a n e - a r e a t w i n h u l l , S W A T H ) 是 近 年 来 得 到 快 速 发 展 的 高 科 技 、 商 附 加 值 、高 性 能 船 型 。近 年 来 小 水 线 面 双 体 船 有 着 向 大 型 化 方 向 发 展 的 趋 势 ，但小水线面 双 体 船 所 受 载 荷 复 杂 ，其 复 杂 的 结 构 型 式 使 得 小 水 线 面 双 体 船 疲 劳 强 度 问 题 尤 为 突 出 。
2 丌、 〇) exp
，2 冗、 4
( 1)
4丌
Tz
式中， //s为有义波高， 7；为平均跨零周期， 《为圆频率。 波 浪 的 方 向 谱 表 示 波 浪 能 量 在 波 浪 频 率 和 组 合 波 传 播 方 向 上 的 分 布 。测 量 波 浪 能 量 在 传 播 方 向 上
分布的难度较大， 目前经常使用的方向谱的表达形式为
美 国 船 级 社 （A m e r i c a n B u r e a u o f , S h i p p i n g A B S ) 和 中 国 船 级 社 （C h i n a C l a s s i f i c a t i o n S o c i e t y , C C S ) 针 对 S W A T H 船 都 有 相 应 规 范 ，但 规 范 中 对 疲 劳 强 度 计 算 方 法 只 做 了 简 要 规 定 [1_2]。张 浩 辉 等 [3]基 于 C C S 疲 劳 规 范 ， 针 对 某 S W A T H 船 的 疲 劳 强 度 进 行 了 计 算 。 甄 春 博 等 [4]针 对 某 S W A T H 船 ， 采 用 简 化 计 算 方 法 和 直 接 计 算 方 法 进 行 了 疲 劳 强 度 分 析 ， 并 设 计 了 相 应 的 实 尺 度 疲 劳 试 验 。 徐 志 亭 [5]较 为 全 面 地 研 宄 了 某 S W A T H 船的 疲 劳 强 度 评 估 的 简 化 方 法 和 直 接 计 算 法 ，并 对 疲 劳 热 点 进 行 了 结 构 优 化 。疲劳强度 计 算 中 ，采 用 谱 分 析 方 法 可 以 真 实 考 虑 到 不 同 装 载 、波 频 、航 向 等 工 况 对 疲 劳 损 伤 的 影 响 。因 此 ，本 文 针 对 一 艘 2 2 0 0 吨级无限航区的 小 水 线 面 双 体 船 ，对主体典型结构疲劳热点采用谱分析法进行疲劳 强度分析，以期更准确的计算热点疲劳寿命。
基于谱分析法的小水线面双体船疲劳强度评估
张 海 华 ， 郦 羽 ，邬 婷 ，程 红 蓉
( 中 国 船 舶 科 学 研 究 中 心 上 海 分 部 ，上 海 200011 )
摘要
为 了 准 确 反 应 小 水 线 面 双 体 船 的 结 构 型 式 和 所 受 载 荷 对 疲 劳 强 度 的 影 响 ，采 用 谱 分 析 法 对 一 条 2 2 0 0 吨 级的小水线面双体船进行疲劳寿命计算。基于整船有限元分析结果和疲劳热点选取原则选取热点；计算不同 浪 向 和 波 频 下 的 疲 劳 热 点 应 力 传 递 函 数 ，确 定 双 参 数 P - M 波 浪 谱 下 的 应 力 响 应 谱 ；计 算 该 海 区 的 疲 劳 累 积 损 伤 度 •研 究 结 果 表 明 ，所 设 计 小 水 线 面 双 体 船 疲 劳 强 度 满 足 要 求 ，该 计 算 方 法 可 为 小 水 线 面 双 体 船 的 整 船 结 构设计提供参考.