文档介绍：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
绪论
受经济规模影响,集装箱船的体积正在加大。最近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]
Payer[2]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 Soares[3]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