一种基于三维水弹性分析的浮体试验方法技术

一种基于三维水弹性分析的浮体试验方法，包括以下步骤，获取大型浮体布设位置地形

【技术实现步骤摘要】
一种基于三维水弹性分析的浮体试验方法


[0001]本专利技术涉及船舶与海洋工程
，尤其是一种基于三维水弹性分析的浮体试验方法
。

技术介绍

[0002]近十年，发生了数起船舶结构在海上破坏的事故，超过
300
米的海上巨轮在海洋上可以像筷子般地轻易被折断或被拧成麻花
。
于是，提出了一个研究课题，这既是如何有效确定这种大型集装箱船的有效外载荷并给船舶结构设计留下充分的安全裕度，三维水弹性分析方法无疑是解决这一棘手问题的主要手段
。
大量研究发现超大型船舶的水弹性效应十分明显，且对船体结构的总纵弯曲和疲劳损伤有着不同的影响，颤振会使得船舯弯矩剪力增加
20
％
‑
25
％，波激振动对船舶的疲劳累积损伤增加近
20
％
。
[0003]大型浮体的设计过程中，通常采用三维水弹性力学分析方法，将船舶结构数学模型简化为三维梁模型，这种方法是快速分析水弹性的基础数学模型
。
根据船舶结构数学模型缩比制作的分段船模是有效的测量船舶波浪载荷的试验方法
。
在此基础上，进行分段船舶模型的波浪载荷试验，可以有效地验证三维水弹性力学分析的结果
。
其中小型浮体模型的测量梁是连接若干分段船体的连续构件，既能模拟船舶分段处的刚度，又能传递波浪载荷
。
[0004]但是三维水弹性分析方法所设计的船舶结构数学模型并未充分考虑海底地形的影响，三维水弹性分析方法的边界数值并不够丰富，不能对船舶结构数学模型进行有效地验证；另外，三维水弹性力学分析仅仅停留在理论层面，通常根据船舶结构数学模型缩比制作分段船模后进行载荷试验，分段船模试验过程中的载荷分析，与船舶结构数学模型中三维水弹性力学分析完全割裂开来，不便于分段船模模型的校对和完善，也不便于船舶结数学模型的设计优化
。
[0005]因此，有必要把三维水弹性分析的船舶结构数学模型与分段水池船模的测量梁进行统一处理，建立标准化的设计流程，而这种设计目前来讲尚未见公开
。

技术实现思路

[0006]本申请人针对上述现有生产技术中的缺点，提供一种基于三维水弹性分析的浮体试验方法，从而充分考虑海底地形的影响，增加三维水弹性分析方法的边界数值，在缩比后的小型浮体模型试验的同时引入小型浮体数模和实际浮体的计算载荷，便于分段浮体模型的校对和完善，和实际浮体数学模型的设计优化，对浮体结构数学模型进行效地验证
。
[0007]本专利技术所采用的技术方案如下：
[0008]一种基于三维水弹性分析的浮体试验方法，包括以下步骤，
[0009]获取大型浮体布设位置地形：实地测量实际浮体布设位置海域的立体地形数据，立体地形包括波浪情况及海底地形；
[0010]大型浮体数模设计：在布设位置地形的条件下，通过三维水弹性分析进行大型浮
体的三维梁模型设计，首先输入实际浮体的型线建立大型浮体数模的外壳，然后将大型浮体数模沿着长度方向分成
N
段，初始状态为
N≥2
，再通过有限元软件获取各个分段结构的质量和各个剖面的刚度
I
j
，
i
＝1～
N
中的自然数，
j
＝1～
(N
‑
1)
中的自然数；剖面的位置位于分段处的三维梁上，
I
j
包括扭转惯性矩
I
xj
、
垂向惯性矩
I
yj
、
水平惯性矩
I
zj
；
[0011]确定三维梁的结构及剖面尺寸：根据待分析载荷种类，选择三维梁模型中三维梁的截面结构，计算
N
‑1个的剖面尺寸；
[0012]计算大型浮体数模的振动频率：通过模态分析计算待分析载荷种类条件下的振动频率；
[0013]将大型浮体数模的振动频率与实际浮体频率进行误差分析：实际浮体频率为设计目标值，将实际浮体的各阶频率与大型浮体数模的振动频率进行比较得到误差结果，
ε
为误差上限，若误差结果大于
ε
则需要将大型浮体数模再细分，增加
N
的数值；若误差结果小于等于
ε
，则大型浮体数模设计完成；
[0014]确定小型浮体模型的缩尺比：根据水池最短波长确定小型浮体模型的缩尺比，水池用于小型浮体模型的波激振动试验，水池最短波为水池造波机的最短波；
[0015]根据缩尺比建立小型浮体模型和小型浮体数模并获得载荷数据：
[0016]根据缩尺比制造小型浮体模型，小型浮体模型包括测量梁，在水池内搭设假底，假底为缩比后的地形，在水池内对小型浮体模型进行波激振动试验得到小型浮体模型的试验载荷数据；
[0017]建立小型浮体数模，小型浮体数模与小型浮体模型的结构和尺寸相当，并在缩比后的立体地形条件下对小型浮体数模进行模态分析和水弹性响应计算，得到小型浮体数模的计算载荷；
[0018]载荷分析：小型浮体数模的计算载荷和实际浮体的计算载荷与试验载荷数据经过无因次化后进行对比，以试验载荷数据为基础进行比较，分析计算载荷与试验载荷的差异度，验证计算结果是否正确
。
[0019]所述三维梁为变截面梁，分段段数为
N
，与三维梁的截面结构与测量梁的截面结构相同；
[0020]当待分析载荷种类为垂向弯曲载荷时，三维梁的截面结构为空心圆管或空心矩形；
[0021]当待分析载荷种类为垂向和水平弯曲载荷时，三维梁的截面结构为空心矩形或空心椭圆管；
[0022]当待分析载荷种类为垂向
、
水平弯曲载荷和扭转载荷时，三维梁的截面结构为空心开口矩形或空心开口椭圆管
。
[0023]当待分析载荷种类为垂向弯曲载荷时，三维梁采用空心矩形的截面结构，通过垂向弯曲模态计算对每段三维梁进行结构计算：
[0024]假设空心矩形外宽
B
j
，外高
H
j
，内宽
b
j
，内高
h
j
，且
H
j
＝
6B
j
，
h
j
＝
6b
j
，
B
j
＝
2b
j
，
j
＝1～
(N
‑
1)
中的自然数，第
j
段三维梁的垂向惯性矩为
I
yj
：
[0025][0026]由式
(1.1)
可得空心矩形的三维梁的内宽
b
j
：
[0027][0028]根据实际浮体剖面本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种基于三维水弹性分析的浮体试验方法，其特征在于：包括以下步骤，获取大型浮体布设位置地形：实地测量实际浮体布设位置海域的立体地形数据，立体地形包括波浪情况及海底地形；大型浮体数模设计：在布设位置地形的条件下，通过三维水弹性分析进行大型浮体的三维梁模型设计，首先输入实际浮体的型线建立大型浮体数模的外壳，然后将大型浮体数模沿着长度方向分成
N
段，初始状态为
N≥2
，再通过有限元软件获取各个分段结构的质量和各个剖面的刚度
I
j
，
i
＝1～
N
中的自然数，
j
＝1～
(N
‑
1)
中的自然数；剖面的位置位于分段处的三维梁上，
I
j
包括扭转惯性矩
I
xj
、
垂向惯性矩
I
yj
、
水平惯性矩
I
zj
；确定三维梁的结构及剖面尺寸：根据待分析载荷种类，选择三维梁模型中三维梁的截面结构，计算
N
‑1个的剖面尺寸；计算大型浮体数模的振动频率：通过模态分析计算待分析载荷种类条件下的振动频率；将大型浮体数模的振动频率与实际浮体频率进行误差分析：实际浮体频率为设计目标值，将实际浮体的各阶频率与大型浮体数模的振动频率进行比较得到误差结果，
ε
为误差上限，若误差结果大于
ε
则需要将大型浮体数模再细分，增加
N
的数值；若误差结果小于等于
ε
，则大型浮体数模设计完成；确定小型浮体模型的缩尺比：根据水池最短波长确定小型浮体模型的缩尺比，水池用于小型浮体模型的波激振动试验，水池最短波为水池造波机的最短波；根据缩尺比建立小型浮体模型和小型浮体数模并获得载荷数据：根据缩尺比制造小型浮体模型，小型浮体模型包括测量梁
(5)
，在水池内搭设假底，假底为缩比后的地形，在水池内对小型浮体模型进行波激振动试验得到小型浮体模型的试验载荷数据；建立小型浮体数模，小型浮体数模与小型浮体模型的结构和尺寸相当，并在缩比后的立体地形条件下对小型浮体数模进行模态分析和水弹性响应计算，得到小型浮体数模的计算载荷；载荷分析：小型浮体数模的计算载荷和实际浮体的计算载荷与试验载荷数据经过无因次化后进行对比，以试验载荷数据为基础进行比较，分析计算载荷与试验载荷的差异度，验证计算结果是否正确
。2.
如权利要求1所述的一种基于三维水弹性分析的浮体试验方法，其特征在于：所述三维梁为变截面梁，分段段数为
N
，与三维梁的截面结构与测量梁
(5)
的截面结构相同；当待分析载荷种类为垂向弯曲载荷时，三维梁的截面结构为空心圆管或空心矩形；当待分析载荷种类为垂向和水平弯曲载荷时，三维梁的截面结构为空心矩形或空心椭圆管；当待分析载荷种类为垂向
、
水平弯曲载荷和扭转载荷时，三维梁的截面结构为空心开口矩形或空心开口椭圆管
。3.
如权利要求2所述的一种基于三维水弹性分析的浮体试验方法，其特征在于：当待分析载荷种类为垂向弯曲载荷时，三维梁采用空心矩形的截面结构，通过垂向弯曲模态计算对每段三维梁进行结构计算：假设空心矩形外宽
B
j
，外高
H
j
，内宽
b
j
，内高
h
j
，且
H
j
＝
6B
j
，
h
j
＝
6b
j
，
B
j
＝
2b
j
，
j
＝1～
(N
‑
1)
中的自然数，第
j
段三维梁的垂向惯性矩为
I
yj
：由式
(1.1)
可得空心矩形的三维梁的内宽
b
j
：根据实际浮体剖面的刚度可知的
I
yj
数值，由式
(1.2)
计算
b
j
进而得到空心矩形的所有尺寸
。4.
如权利要求2所述的一种基于三维水弹性分析的浮体试验方法，其特征在于：当待分析载荷种类为垂向弯曲载荷时，三维梁采用空心圆管的截面结构，通过垂向弯曲模态计算对每段三维梁进行结构计算：假设空心圆管外径
D
j
，内径
d
j
，且
D
j
＝
3d
j
，
j
＝1～
(N
‑
1)
中的自然数，第
j
段三维梁的垂向惯性矩为
I
yj
：由式
(2.1)
可得空心圆管的内经
d
j
：根据实际浮体剖面的刚度可知
I
yj
数值，由式
(2.2)
计算
d
j
进而得到空心圆管的所有尺寸
。5.
如权利要求2所述的一种基于三维水弹性分析的浮体试验方法，其特征在于：当待分析载荷种类为垂向和水平弯曲载荷时或待分析载荷种类为垂向
、
水平弯曲和扭转载荷时，三维梁采用空心矩形的截面结构，通过垂向和水平弯曲模态计算对每段三维梁进行结构计算：假设空心矩形外宽
B
j
，外高
H
j
，内宽
b
j
，内高
h
j
，且
H
j
＝
α
j
B
j
，
h
j
＝
α
j
b
j
，
j
＝1～
(N
‑
1)
中的自然数，第
j
段三维梁的垂向惯性矩
I
yj
与水平惯性矩
I
zj
之比为：由式
(3.1)
可得空心矩形的高宽比参数
α
j
：根据实际浮体剖面的刚度可知
I
yj
和
I
zj
数值，由式
(3.2)
可以计算得到高宽比参数
α
j
，进而根据垂向惯性矩
I
yj
与水平惯性矩
I
zj
计算的到空心矩形的所有尺寸
。6.
如权利要求2所述的一种基于三维水弹性分析的浮体试验方法，其特征在于：当待分析载荷种类为垂向和水平弯曲载荷时或待分析载荷种类为垂向
、
水平弯曲和扭转载荷时，三维梁采用空心椭圆管的截面结构，通过垂向和水平弯曲模态计算对每段三维
梁进行结构计算：假设空心椭圆管外长轴
A
j
，外短轴
B
j
，内长轴
a
j
，内短轴
b
j
，且
A
j
＝
β
j
B
j
，
a
j
＝
β
j
b
j
则垂向惯性矩
I
yj
与水平惯性矩
I
zj
之比为：根据实际浮体剖面的刚度可知
I
yj
和
I
zj
数值，根据实际船舶剖面的刚度
I
yj
和
I
zj
，可以根据下式确定空心矩形船体梁的高宽比参数
β
j
：进而根据垂向惯性矩
I
yj
与水平惯性矩
I
zj
计算公式的到空心椭圆管...

【专利技术属性】
技术研发人员：陆晔，杨吉，陈枫，顾孟潇，弓国栋，张松林，吴鑫鑫，汪敬翔，肖峰，路振，
申请(专利权)人：中国船舶科学研究中心，
类型：发明
国别省市：