【正文】 ............................................. 錯(cuò)誤 !未定義書簽。 極限波浪工況 ......................................................... 錯(cuò)誤 !未定義書簽。 兩種極限強(qiáng)度計(jì)算方法的比較 ............................. 錯(cuò)誤 !未定義書簽。 結(jié)論 ........................................................................................ 錯(cuò)誤 !未定義書簽。 致謝 ........................................................................................ 錯(cuò)誤 !未定義書簽。在新世紀(jì)的前后 ， 軍船入級的風(fēng)暴席卷了世界上主要的海軍裝備發(fā)達(dá)國家 ， 這是一場從認(rèn)識到行動(dòng) ， 從體制、管理到技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)諸方面的改革和發(fā)展 ， 代表了國際上軍船設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展方向。民船與軍船的發(fā)展簡史民船與軍船都是航行在海上的平臺(tái) ,就平臺(tái)本身而言 ， 基本的航行狀態(tài)與性能并沒有本質(zhì)的差別 ， 只是它們各自的功能要求有所不同而已。 對于軍船的入級，簡言之可視為船級社出版規(guī)范 (軍船規(guī)范 )的一種發(fā)展和執(zhí)行。而軍船一旦入級，除了保證軍船船體結(jié)構(gòu)、輪機(jī)及電力設(shè)備等達(dá)到各種技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)定外，也將保證軍船的推進(jìn)操縱及輔機(jī)系統(tǒng) ，包括起重設(shè)備等都處于安全和可靠狀態(tài)，當(dāng)然與民船一樣，軍船有時(shí)也得遵守一些國際性法規(guī)和協(xié)議。通常，海軍管理部門對軍船的要求、采購負(fù)有責(zé)任，毫無疑問，海軍對采用的標(biāo)準(zhǔn)、驗(yàn)收及認(rèn)可還須負(fù)有特定的責(zé)任。本論文的主要目的是對軍船船體方面的某些關(guān)鍵基礎(chǔ)問題和方法進(jìn)行系統(tǒng)的研究，所涉及的主要問題有：結(jié)合某型實(shí)船的計(jì)算分析，研究 LR 軍船規(guī)范中有關(guān)計(jì)算載荷與船體強(qiáng)度校核中 的有關(guān)內(nèi)容，并與我國現(xiàn)行軍規(guī)中的相應(yīng)內(nèi)容進(jìn)行比較分析，給出有關(guān)的結(jié)論，為我國軍規(guī)的修改以及軍船入級規(guī)范的制訂提出建設(shè)性意見。如英國皇家海軍的軍船是以國防部在 1972 年出版的海軍工程標(biāo)準(zhǔn) (Navy Engineering Standard— NES)為基礎(chǔ)來設(shè)計(jì)建造軍船的。 NES 中 的方法多數(shù)是定數(shù)論的，其中包括設(shè)計(jì)載荷 (波浪彎矩與砰擊振動(dòng)彎矩 )、拖帶及艦載機(jī)著艦的作業(yè)載荷、武器的沖擊受載以及爆炸載荷等，由應(yīng)力的組合來評估結(jié)構(gòu)的能力，包括極限承載能力，規(guī)定有限元計(jì)算及結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度分析等。但這部規(guī)范其方法也是定數(shù)論的。 1998 年美國船級社 (ABS)與美國海軍合作開發(fā)了“軍船規(guī)范” (Navy Vessel Rules— NVR)，并在 2 004 年首次出版使用。除上 述國家之外，德國在原來由聯(lián)邦防衛(wèi)技術(shù)與促進(jìn)辦公室 (BWB)”出版的德國海軍標(biāo)準(zhǔn)” (German Naval Standard)的基礎(chǔ)上，在 1999 年由海軍權(quán)力機(jī)關(guān)進(jìn)行了再版。顯然德國軍船的入級是軍船規(guī)范與民船規(guī)范的一種有機(jī)組合。 迄今為止，一些發(fā)達(dá)國家軍船入級的規(guī)范都具有下述的幾個(gè)技術(shù)特征 : ①采用國際海事組織 (IMO)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)一一目標(biāo)型標(biāo)準(zhǔn) (GBS)； ②采用國際船級社 (IACS)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn) 。 ④保留軍船特定的功能性目標(biāo) 。 ⑥考慮多種新型材料的使用。以上這些都是制定我國自己軍船入級規(guī)范的良好基礎(chǔ)。它們之中，有的屬于靜態(tài)載荷，如舷外靜水壓力、艙內(nèi)液體靜壓力、結(jié)構(gòu)及貨物重力、船體靜水彎矩等；有的是與波浪振蕩頻率或船體結(jié)構(gòu)固有頻率相關(guān)的動(dòng)態(tài)載荷，如舷外波動(dòng)壓力、液艙晃蕩壓力、垂向及水平波浪彎矩、扭矩、砰擊振動(dòng)彎矩等。環(huán)境載荷分為波浪載荷、風(fēng)載荷和流載荷。 航行于海上的船舶，在其整個(gè)服役期中，可能會(huì)以各種不同的航速、不同的航向角和不同的裝載狀況遭遇各種不同的海況。 低頻波浪彎矩的確定 ，在船體總縱強(qiáng)度的分析中起著決定性作用。這是一種在物理直觀的基礎(chǔ)上建立起來的半經(jīng)驗(yàn)性方法。波形取為坦谷波，波高隨波長而變化。對所有船舶都采用這種靜置法來確定波浪彎矩，并將依此算得的總縱彎曲應(yīng)力與標(biāo)準(zhǔn)的許用應(yīng)力進(jìn)行比較，這樣所得的船體強(qiáng)度，由于沒有考慮波浪載荷的變動(dòng)性和隨機(jī)性，也沒有考慮船體承載能力的不確定性，所以只能是一種比較強(qiáng)度。但，船舶波 浪載荷的計(jì)算，真正地獲得突破性進(jìn)展，還是在上世紀(jì)五十年代末船舶切片理論建立之后。該理論經(jīng) KorvinKroukovsky 與 Jacobs[2]加以改進(jìn)，形成了所謂的普通切片法 (OSM)。其中最有代表性的是合理切片法 [3]、新切片法 (NSM)[4]和 STF 法 [6]。同眾多的船舶運(yùn)動(dòng)與剖面波浪載荷 的 研究文獻(xiàn)相比，有關(guān)船舶水動(dòng)壓力預(yù)報(bào)的文獻(xiàn)則較少。 [8]通過定義二維繞射勢 ， 直接求解繞射流場計(jì) 算繞射壓力分量。由于線性切片理論一般能給出較為準(zhǔn)確的船舶運(yùn)動(dòng)與波浪載荷預(yù)報(bào)，并且易于實(shí)現(xiàn)數(shù)值計(jì)算，因此得到廣泛應(yīng)用。盡管如此， 1994 年 ITTC 會(huì)議認(rèn)為 ， 切片理論提供了傳輸方程的一種簡單的表示形式，并仍將在實(shí)踐中廣泛地應(yīng)用。七十年代末以來，一些學(xué)者 通過采用不同的技巧 將上述線性切片理論加以擴(kuò)展 ，得到工程實(shí)用的非線性計(jì)算方法，以便考慮源于船體瞬時(shí)濕表面的顯著變化而導(dǎo)致的流體靜力和動(dòng)力的非線性特性 以及大幅運(yùn)動(dòng)時(shí)可能發(fā)生的砰擊現(xiàn)象 。這些非線性計(jì)算方法大體上可以分為時(shí)域方法和頻域方法兩類。山本善之 和滕野正隆 [9]提出了一種用 于估算船體垂向響應(yīng) 的 非線性方法。由 Meyerhoff 和 Schlachter[10]提出 的 一種確定船體梁垂向載荷非線性響應(yīng)的方法，系通過對不規(guī)則海浪中船舶運(yùn)行狀態(tài)的模擬來求解運(yùn)動(dòng)方程，其中考慮了波浪沖擊力對船舶運(yùn)動(dòng)的反饋 。我國 從事 船舶水動(dòng)力及 結(jié)構(gòu)外載 荷研究 的學(xué)者 ，在基于擴(kuò)展的 切片理論 預(yù)報(bào)船舶運(yùn)動(dòng)與載荷的非線性響應(yīng)方面，進(jìn)行了深入的研究工作，取得了一些有價(jià)值的成果 [1221]。這一理論中的線性項(xiàng)等同于經(jīng)典的線性切片理論，二階項(xiàng)則起因于激勵(lì)波浪的非線性、船舶的非直舷以及非線性的流體動(dòng)力。為了預(yù)報(bào)航行在中等海浪中船舶的最大中拱和中垂彎矩，應(yīng)用統(tǒng)計(jì)方法進(jìn)行處理。 以上研究工作基本上 大 都是針對船舶垂向運(yùn)動(dòng)作出的， 而 關(guān)于斜浪中波浪載荷計(jì)算的文獻(xiàn) 相對 較少。 通常，船舶的非線性運(yùn)動(dòng) 方程的穩(wěn)態(tài)解是在時(shí)域內(nèi)采用直接法（如 4 階 RungeKutta 法），步進(jìn)求解運(yùn)動(dòng)微分方程得到的。實(shí)際上，當(dāng)船舶受到某一擾動(dòng)漂離航線時(shí)， 通常 是通過操舵使船舶回到正確的航線上。日本學(xué)者 Fukasawa[24]曾 提出 采 用數(shù)字濾波技術(shù)消除發(fā)散成分， 從而 得到穩(wěn)定的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)，但 由于 計(jì)算機(jī)時(shí)過 長 ，給實(shí)際應(yīng)用帶來不便。 此外，針對 經(jīng)典的切片理論 預(yù)報(bào) 高速船 的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)效果欠佳，充分考慮 高速船 舶特點(diǎn)的 高速細(xì)長體理論 （ 二維半方法 ）應(yīng)運(yùn)而生 。該理論假定船舶航速較高時(shí)，船首處的非定常擾動(dòng)勢為零 ，水波只向后傳播 。 時(shí)域問題的完善解法是通過建立初、邊值問題來解決。 Cummins[28]利用脈沖響應(yīng)函數(shù)理論，將擾動(dòng)速度勢分解為瞬時(shí)項(xiàng)和記憶項(xiàng)兩個(gè)部分分別求解，從而將船體的幾何形狀與船舶運(yùn)動(dòng)相分離。 目前 應(yīng)用時(shí)域格林函數(shù)求解非線性問題已取得了很大進(jìn)展。格林函數(shù)法采用在船體表面布置源的方法來確定速度勢。利用這一方法處理無航速船舶及海洋工程結(jié)構(gòu)物的運(yùn)動(dòng)和載荷問題十分成功 ； 對于有航速問題，由于有航速頻域格林函數(shù)計(jì)算的復(fù)雜性和積分方程中水線積分項(xiàng)難以 精確 處理， 增加了 求解 問題的難度 。 Rankine 源法在近些年得到了迅速發(fā)展，并被擴(kuò)展到非線性問題計(jì)算中。 然而 這一 方法需要在自由 表 面上布置單元，因此所需求解方程組十分龐大。 因此 有必要 采用水彈性力學(xué)的方法 分析 水動(dòng)力、慣性力和彈性力之間的相互作用 ， 研究流體和結(jié)構(gòu)的耦合動(dòng)力問題。將船體 模型化 為一根兩端自由的彈性梁， 與精典的 切片 理論相 結(jié)合， 采用 結(jié)構(gòu)模態(tài)分析法求解船體在 波浪中的動(dòng)力響應(yīng)。 其后又 有許多學(xué)者將 水彈性 方法與擴(kuò)展的切片理論相結(jié)合，用于 非線性 波浪載荷的預(yù)報(bào) [9][10][22]。 迄今 三維線性理論已 發(fā)展 成熟， 國際上 各大船級社幾乎都有三維頻域線性 船舶 運(yùn)動(dòng)和載荷的預(yù)報(bào)程序 。美國海軍開發(fā)了一個(gè)多層次的大幅運(yùn)動(dòng)程序 LAMP[33,34]用于預(yù)報(bào)艦船在各種海況下的船體運(yùn)動(dòng)和波浪載荷。 LAMP2 考慮非線性靜恢復(fù)力和非線性FroudeKrylov 波浪力，以及三維線性水動(dòng)力和平均自由面邊界狀態(tài)； LAMP4則考慮了非線性靜恢復(fù)力和非線性 FroudeKrylov 波浪力，以及三維大幅水動(dòng)力和遭遇波表面上的自由面邊界狀態(tài)。 LAMP 計(jì)算程序不僅 可以進(jìn)行運(yùn)動(dòng)模擬，還可以計(jì)算剖面載荷、沖擊載荷和結(jié)構(gòu)響應(yīng)。 在船舶波浪載荷理論的發(fā)展過程中，試驗(yàn)研究起了極其重要的作用。但受種種客觀及主觀因素的限制，實(shí)船海上試驗(yàn)結(jié)果不可避免地會(huì)有這樣那樣的局限性。試驗(yàn)的目的，不僅僅是用于去驗(yàn)證理論 方法，更為重要的是，它可以揭示人們尚未認(rèn)知的現(xiàn)象，反映問題的力學(xué)機(jī)理和實(shí)質(zhì)，對理論計(jì)算方法進(jìn)行改進(jìn)和完善。本書不可能也沒有必要面面俱到，一一介紹。 本文是利用 WALCS 軟件進(jìn)行波浪載荷的長短期分析， 該軟件可用于計(jì)算零航速或以中低航速航行于有限和無限水深規(guī)則波中的船舶或浮式海洋平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)、剖面載荷和濕表面水動(dòng)壓力的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)。求解浮體運(yùn)動(dòng)響應(yīng)之后，進(jìn)一步求出浮體的脈動(dòng)壓力響應(yīng)和剖面載荷響應(yīng)。軟件可輸出船舶與浮式海洋平臺(tái)運(yùn) 動(dòng)、剖面載荷及水動(dòng)壓力的頻率響應(yīng)函數(shù)，并可針對給定海況資料進(jìn)行短期預(yù)報(bào)和長期預(yù)報(bào)，得到載荷及響應(yīng)的設(shè)計(jì)值。 、外張砰擊和甲板上浪等非線性因素的影響，按水彈性理論計(jì)算船舶的波浪載荷。通過對波浪載荷的線性和非線性分析探討軍船入級波浪載荷設(shè)計(jì)值的確定方法。近年來國際幾個(gè)著名船級社推出了軍船入級規(guī)范，分別給出了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算載荷以及船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析的方法和準(zhǔn)則。環(huán)境載荷分為波浪載荷、風(fēng)載荷和流載荷。 船舶運(yùn)動(dòng)響應(yīng)與波浪載荷計(jì)算研究中，通常假定浮體所處的海洋是均勻、不可壓縮、無粘和無旋的理想流體。目前工程上常用的方法主要有：線性頻域切片理論（修正航速），三維線性頻域理論（自由面格林函數(shù)法、零航速 /低航速），三維非線性時(shí)域理論（簡單格林法 /自由面格林函數(shù)法、全航速）。 確定計(jì)算載荷的譜分析法 規(guī)則波中船體載荷計(jì)算 船舶在規(guī)則波中穩(wěn)態(tài)響應(yīng)的理論計(jì)算，通常是預(yù)報(bào)船舶在實(shí)際海浪中動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性的基礎(chǔ)。本文采用上述理論來計(jì)算船舶的波浪載荷響應(yīng)，其詳細(xì)計(jì)算原理參見文獻(xiàn) [27]和 [28]等。求解浮體運(yùn)動(dòng)響應(yīng)之后，進(jìn)一步求出浮體的脈動(dòng)壓力響應(yīng)和剖面載荷響應(yīng)。軟件可輸出船舶與浮式海洋平臺(tái)運(yùn)動(dòng)、剖面載荷及水動(dòng)壓力的頻率響應(yīng)函 數(shù)，并可針對給定海況資料進(jìn)行短期預(yù)報(bào)和長期預(yù)報(bào)，得到載荷及響應(yīng)的設(shè)計(jì)值。其目的是以規(guī)則波中的波浪載荷響應(yīng)為基礎(chǔ)，通過理論計(jì)算，確定船舶在給定時(shí)間航行于實(shí)際海況中的波浪載荷變化特性。 （ 1）短期預(yù)報(bào) 短期預(yù)報(bào)的時(shí)間范圍為半小時(shí)到數(shù)小時(shí)，在此時(shí)間內(nèi)，船舶的裝載狀態(tài)、航速、航向角以及海情均可認(rèn)為是固定不變的。此時(shí)船體對波浪的響應(yīng)可看作是線性不變系統(tǒng)。輸入與輸出之間是通過下面的公式聯(lián)系著： ? ? ? ? ? ????????? ? ,T,H,S,V,H,V,T,H,S z3/12z3/1w ??? （ ） 式中 ? ???? ,T,H,S z3/1 是海浪譜密度； ? ???? ?,V,T,H,S z3/1w 是波浪載荷（可以具體是垂向波浪彎矩與剪力，水平波浪彎矩與剪力，扭矩，水動(dòng)壓力等）的譜密度； ? ???? ?,V,H 是系統(tǒng)傳遞函數(shù)（又稱頻率響應(yīng)函數(shù)）的模，常稱為幅頻特性、響應(yīng)幅算子或增益因子，其值為單位規(guī)則波幅下的載荷響應(yīng)幅值（可由規(guī)則波中的理論計(jì)算或水池模型試驗(yàn)得到）。 上式是船舶與海洋結(jié)構(gòu)物耐波性和波浪載荷預(yù)報(bào)的理論基礎(chǔ)。 （ 2）長期預(yù)報(bào) 長期預(yù)報(bào)，通常是對一種或幾種典型的裝載狀態(tài)分別進(jìn)行。 由短期預(yù)報(bào)可知，在海況為 ? ?iz31 TH ，／ 中，船舶以航向角為 j? 、航速為 kV 運(yùn)行時(shí)，其波浪載荷幅值 X小于某個(gè)可能值 x的概率，即 Rayleigh 分布函數(shù) ? ?? ?????????? kjiz3/120 V,T,HExe x p1)x(F ? （ ） 如果認(rèn)為由各種不同海況、不同航行狀態(tài)所組成的短期彼此相互獨(dú)立，那么長期概率分布將是各短期概率分布的加權(quán)組合，亦即波浪載荷幅值 X大于某一定值 x 的超越概率為 ? ? ? ????????? ???? ? ? ? kjiz3/1 2kji j k z3/1i V,)T,H(E xe x p)V(p),(p,)T,H(pxXP)x(Q ?? （ ） 因?yàn)楹剿賹€性波浪載荷影響不大，故計(jì)算時(shí) V可取為定值，即航速出現(xiàn)的