﻿ 海洋核动力平台波浪载荷特性分析
 舰船科学技术  2019, Vol. 41 Issue (10): 134-138 PDF

1. 武汉第二船舶设计研究所，湖北 武汉 430064;
2. 大连理工大学，辽宁 大连 116023

Studies of the characteristics of wave loads of the offshore nuclear power platform
DUAN MU Wan-lu1, GUO Jian1, ZHENG Kai2, LAI Jun2
1. Wuhan Second Ship Design and Research Institute, Wuhan 430064, China;
2. Dalian University of Technology,Dalian 116023, China
Abstract: The environmental load of the ocean is complex and changeable, and the environmental conditions of the ocean also determine the movement and force of the ship at sea. Therefore, it is of great significance to accurately solve the wave load and determine whether the ship has enough ability to resist the wave load in its entire life cycle without structural damage. The object of this paper, marine nuclear power platform which average life expectancy is 40 years, and long-term positioning at sea has put forward higher requirements for structural strength of the ship. Consequently, based on the large-scale hydrodynamic software WASIM, this paper, through the linear and nonlinear calculation in time domain, analyzes the wave load characteristics of the marine nuclear power platform in conjunction with the calculation results of CCS specification and completes the structural strength check of the whole ship. It is found that the actual situation of hogging and sagging can be more obvious through the calculation of nonlinear algorithm. In addition, the target ship is prone to have bending-torsional coupling under oblique waves, which is more dangerous than the situation of following sea and waves. Meanwhile, the location of dangerous section is predicted, which provides a reference for designers of ship structures.
Key words: wave loads     structural strength     non-linear     WASIM
0 引　言

1 计算方法和理论 1.1 计算流程

1.2 理论基础

 \begin{aligned} ({{M}} + {{a}})\{ {\rm{\ddot \eta }}(t)\} + {{b}}\{ {\rm{\dot \eta }}(t)\} + ({{C}} + {{c}})\{ \eta (t)\} = &\{ f(t)\} = \\ &\int_{ - \infty }^t K (t - \tau ){\rm{\dot \eta }}({\rm{\tau }}){\rm{d\tau }} {\text{。}}\end{aligned}

1）总速度势Ψ要满足质量连续方程，即Laplace方程

 ${\nabla ^2}\varPsi ({\vec r},t) = 0 {\text{。}}$

2）自由液面不可穿透，即满足运动学条件

 $\left( {\frac{\rm d}{{{\rm {d}}t}} + \nabla \varPsi .\nabla } \right)(z - \zeta (x,y,t)) = 0\text{。}$

3）自由液面上任意一点的压力均满足大气压力，即满足动力学条件

 ${p} - {p_0} = \frac{{{\rm d}\varPsi }}{{{\rm d}t}} + g\zeta + \frac{1}{2}|\nabla \varPsi {|^2} = 0\text{。}$

2 海洋核动力平台计算模型

 图 1 平台湿表面模型 Fig. 1 Wet surface model of platform

 图 2 平台质量模型 Fig. 2 The quality model of platform

 图 3 平台自由液面模型 Fig. 3 Free liquid surface model of platform
3 波浪载荷设计值计算

 图 4 波浪载荷设计波法计算流程 Fig. 4 Design wave method for wave loads

2）波浪浪向。考虑到船舶的对称性，选取0°～180°为波浪浪向计算范围，步长30°，共7个浪向。

3）航速。考虑到平台在海上永久系泊，选取航速为0 kn。

4）海浪资料。选取选取1998年IACS海浪资料组推荐的北大西洋海浪长期统计资料NA-1C为计算海况，海浪谱选择PM谱。

5）概率水平。选取10～8为长期预报概率水平，相当于船舶的生命周期为20年。

6）波浪扩散函数。考虑短峰波的影响，选取cos2为波浪扩散函数。

3.1 总纵载荷随浪向的分布特性

 图 5 总纵载荷随浪向的分布特性 Fig. 5 Distribution characteristics of longitudinal load with wave direction

2）本平台的船长船宽比L/B=3.89<5，比绝大多数的船舶都肥大。因此，在斜浪下的纵向扭矩更为突出，弯矩和扭矩耦合作用使得该平台在尾斜浪（30º浪向）下的总纵载荷更为突出。

3.2 总纵载荷随船长的分布特性

 图 6 总纵载荷随船长的分布特性 Fig. 6 Distribution characteristics of longitudinal load with the captain

1）海洋核动力平台和一般的民用船舶存在着较大不同，在平台中后部布置有重要设备，且重量较大，使得纵垂剪力在船尾部出现明显的峰值，而规范计算是基于大量实船资料统计，忽略了这些偶然载荷因素；

2）主流的民用船舶（散货船、油船、集装箱船）均具有一定的航速，航速的存在会使得在迎浪下的遭遇频率降低，波浪力作用点前移动，而本文计算的核动力平台为海上固定平台，不具有自我航行能力。

3.3 总纵载荷的非线性特性

 图 7 线性算法和非线性算法的结果对比 Fig. 7 Comparison of results between linear algorithm and nonlinear algorithm

4 实船结构强度计算

 图 8 平台有限元模型 Fig. 8 Finite element model of platform

 图 9 计算结果应力云图（Pa） Fig. 9 Stress diagram of calculation results

5 结　语

1）船长船宽比较小的肥大型船舶，纵向扭矩表现比较突出，更容易出现弯扭耦合，因此，在斜浪下其总纵载荷（纵垂弯矩、纵垂剪力）更危险。

2）核动力平台总纵载荷随船长的分布特性与普通单体船具有一定的相似规律，纵垂弯矩在船中区域最大，纵垂剪力在首尾1/4L区域内较大，但是考虑到目标船舶的特殊性，其出现峰值的载荷剖面偏于船尾。

3）通过波浪载荷线性算法和非线性算法的对比，发现非线性算法能够更好地反映出中拱、中垂下实际的波浪载荷，如果更好地将设计波法和非线性算法结合，具有一定的研究价值。

4）通过全船有限元计算，发现该船舶在船中区域具有较大应力，为结构设计重点考虑的区域。

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