1、英文：http:/ 5600字 一种 评估集装箱 船结构扭转强度的实用方法 K. Iijima, T. Shigemi, R. Miyake_, A. Kumano 日本海事协会研究所（ NK） 摘 要 集装箱船结构的特点是舱口开口 大 。由于这种结构 特性 ， 波中复杂的扭力矩影响会引起 舱口开口 的巨大 角变形和翘曲 压力 。这就需要在集装箱船的结构设计阶段评估船体梁 的 扭转强度。本文 在 最新分析 结果的基础上讨论了一种评估集装箱船结构扭转强度的实用方法 。为了尽可能准确估计扭响应特性， 采用在油轮试验中已得
2、到确认的 三维 兰金 源法估计集装箱船的波载 荷， 并以此用有限元法分析整船模型。另外，指定 集装箱船扭转反应 达到 最大 时的 主导 规则 波 条件 。扭转强度评估 设计使用 荷载， 其产生的 扭转反应 等于 长期预测值 ，并以 指定主导波条件下的 几个集装箱船的 扭力矩为基础检测设计荷载 。 同时讨论了用于 估计总船体梁应力的一个适当 的 应力分量组合。 【关键词】 ：集装箱船 扭转强度 兰金源法 水池试验 设计荷载 组合应力 1. 绪论 受经济规模影响，集装箱船的体积正在加大。最近
3、几年集装箱船的发展似乎在加速。 10 年前装载容量最大的 5500 标箱级集装箱船已多少成为目前的标准。现今，最大的超巴 拿马型集装箱船拥有超过 8000 标箱的容量，甚至 12500 标箱级集装箱船的基础研究设计已经开始。 1 Payer2讨论了集装箱船在技术和经济方面的发展和转变。论及集装箱船的顶级技术难题莫过于船体梁的扭转强度，即指，以大舱口开口为特点的集装箱船在波中会受到相当大的扭转变形和翘曲压力。在这方面， Sun and Soares3开创性的研究了带有大舱口开口的船体承受扭力矩的极限强度。翘曲应力分量应与其他应力分量（例如纵向弯曲应力和横向弯曲应力 ） 一起纳入船体强度评估的考虑
4、范围。扭转变形可能在舱口角引起集中压力 ，因此舱口角的设计应考虑到疲劳强度。 众多关于集装箱船结构的研究从构造和流体力学两个方面分析了扭转强度，例如， 4 10， Shimizu 5,8用一个 梁变截面 模拟集装箱船的结构，进行了流体力学和构造分析 。 Nakata 6 and Umezaki 7分别开发了一个总系统，在该系统中船舶运动分析和结构分析与统计分析相结合。 扭转变形受到扭力矩分布和船舶结构刚性参数分布的影响，而纵向或横向弯曲应力只决定于影响该部分剖面模数的相关位置的弯力矩振幅。接着分析扭转响应时需要总船模型。再者，扭力矩分析的准确 性不仅与规模有关也与分布有
5、关。正如纵向弯曲应力在不同阶段具有差异，横向弯曲应力和翘曲应力也对总船体梁应力的估计有重大影响。同时还要求分析复杂的波浪荷载。 因此，数值波浪荷载分析 和有限元分析已被用于开发新的集装箱船 以及 创新设计的 集装箱船。 从这个意义上 说 ，集装箱船结构 的 发展主要依赖于这些数值分析。 另一方面，不能否认的是，船级社为船体梁结构强度评估制定的设计荷载已成为集装箱船设计的标准荷载，应用方便。这就是说扭转响应估计的准确性、最后的结构标注以及船体的安全性，很大程度上都取决于设计荷载的精确性。因此，需要发展用 于评估扭转变形的设计荷载，以反映最新数值分析得到的准确结果。 利用这
6、个设计荷载在不 进行复杂的波浪荷载分析 时就能得到更准确的集装箱船体扭曲强度评价，并 推进船舶的结构安全 。 为了使设计荷载数据可靠，让船舶设计师信服，其设计过程就应该透明和合理。在一份合著 11中提出，已经成功开发了针对油轮和货轮主要结构构件的设计荷载估算方法，这些船舶运营商都有透明和一致的背景。相关资料讨论了设计海况、设计波和设计荷载之间的关系，最后结果表明以下方法得到的设计荷载可使所得响应可能等同于长期预测响应值。 目前，我们的目标是得到一 个切实可行的方法，就是在尽可能准确分析得到的结果的基础上评估透明和一致背景下的扭转强度。主要讨论了评估集装箱船船体梁扭转强度
7、所需的设计荷载和最佳应力分量组合。研究步骤如下： 建立波荷载估算方法：尽管有几例实验研究了集装箱船的扭力矩，但似乎无一针对超巴拿马型集装箱船。水池试验中第一次得到验证的数值分析法在一份合著中有了发展。 精确结构分析：第一个计算波浪中集装箱船的扭力矩，然后将荷载直接应用于整船的有限元模型。确定翘曲压力和相对变形的响应函数，同时确定短期和长期（超越概率 Q=10-8）预测值。 提出和校 正设计荷载：参照响应函数指定主导规则波条件下集装箱船的最大扭转变形。计算 10 艘不同大小的集装箱船在主导波条件下的扭力矩，以该结果为依据制定设计荷载，并将其所得响应与步骤中得到
8、的长期预测值进行比较。 提出和校正应力分量组合：步骤后计算纵向应力分量、横向应力分量和总船梁应力的响应函数，严格审查不同阶段的应力分量。参照响应函数之间的关系提出最佳应力分量组合，依此得到总船梁压力。将所得总船梁压力与长期预测值进行比较，并严格审查不同阶段的应力分量。 基于上述提出评估扭转强度的实用方法。 2. 波荷载估算 2.1 各种数值分析方法的优缺点 多种带状法 12,13已被开发和运用于估算波浪引起的船舶运动和包括纵向弯曲力矩和横向弯曲力矩在内的波荷载，该法有足够的准确度，实际应用性强。带状法作为一个标准工具被广泛应用于估算
9、非线性荷载和运动 14，现在有时也估算船体结构的弹性 15-17。但是，因为它们没有准确考虑纵向带之间反射波的水动力干扰效应和立体效应，在短波估算时其准确性值得怀疑。 为了提高估算的准确性，尤其在短波条件下的准确性，已经提出许过考虑三维效应的数值分析方法。其中包括基于三维势流理论提出的三维 Green 函数法 18和兰金源法 19-21。这些方法的优势在于考虑三维效应，有良好的计算稳定性和适中的计算时间。因此，它们有望作为方便的设计工具而取代带状法。 尽管大部分三维法最初是为了频域仿真，但它们很快发展为分析方法，与同 时提升的计算机能力一起为时域仿真 22-23效力。这
10、促进了非线性效应在时域仿真上的应用，同时出现的还有波浪振幅限度以及可能对设计荷载估算有重大影响的船舶运动。这些方法的缺点之一是仍然需要耗费大量的计算时间。 一份合著显示，计算流体力学（ CFD）可更准确的估算涉及波浪限度和运动振幅的波荷载。自从改法直接从数值上 解决了 Navier-stokes 方程，即使是高度非线性现象，如抨击和绿水航运都可纳入考虑范围。尽管这种方法不够成熟，因为它才刚刚开始，但它有望作为估算波荷载和最终方法。 上述方法的优缺点见表 1。考虑到准确性、稳定性、计算时间以及和长期预测法的兼容性，本文采取了基于频域和三维势流理论的估算方法。非线性特性及波浪限度、运动振幅则是利用了大浪条件下油轮测试得到的结果。 表 1 各种估算船体梁响应数值法的优缺点 A：线性带状法； B：频域三维势流理论； C：时域三维势流理论； D： CFD。 ：很好；：好 /可考虑； ：不好；：差 /不考虑。 2.2 兰金源法 表 2 集装箱船模型的主要情况
