﻿ 非线性波浪载荷在船舶剖面优化中的影响
 舰船科学技术  2022, Vol. 44 Issue (5): 22-26    DOI: 10.3404/j.issn.1672-7649.2022.05.005 PDF

1. 中国船舶科学研究中心, 江苏 无锡214082;
2. 南方海洋科学与工程广东省实验室(广州), 广东 广州511458)

Influence of nonlinear wave load on ship profile optimization
LI Fei1, JIANG Cai-xia1, GENG Yan-chao1,2, HU Jia-jun1, ZHANG Fan1
1. China Ship Scientific Research Center, Wuxi 214082, China;
2. Southern Marine Science and Engineering Guangdong Laboratory (Guangzhou), Guangzhou 511458, China
Abstract: The nonlinear wave load program is used to calculate the wave load response of the super large container ship in the sagging direction with different hull girder stiffness. The influence of the hull beam stiffness on the wave load is analyzed. The calculation method of nonlinear wave load in civil ship structure optimization model is given. The effects of nonlinear wave loads on hull profile optimization are compared. The calculation results show that the decrease of the stiffness of the hull girder will lead to the significant increase of the wave load on the hull beam. After considering the influence of the wave load, the optimization effect of the mid section area is reduced from 5.085% to 2.896%. This shows that it is necessary to take the influence of stiffness variation on nonlinear wave loads into account in the structural optimization design of large ships.
Key words: hull structure     stiffness     nonlinear wave load     ultimate strength
0 引　言

1 高频波浪载荷计算

 $\mathrm{\mu }\left(x\right)\frac{{\partial }^{2}y\left(x,t\right)}{\partial {t}^{2}}+c\left(x\right)\frac{\partial y\left(x,t\right)}{\partial t}+\frac{\partial V\left(x,t\right)}{\partial t}=F\left(x,t\right)，$ (1)
 $\frac{\partial y\left(x,t\right)}{\partial t}=-\frac{V\left(x,t\right)}{k{A}_{S}G}+\mathrm{\gamma }\left(x,t\right)。$ (2)

 $\bar{{\mu }_{i}}{\ddot{q}}_{i}+\bar{{c}_{i}}{\dot{q}}_{i}+{\dot{k}}_{i}={Q}_{i}，$ (3)
 $\bar{{\mu }_{i}}=\int _{-\frac{L}{2}}^{\frac{L}{2}}\mu {{X}_{i}}^{2}\left({x}\right){{\rm{d}}}{x}，$ (4)
 $\bar{{c}_{i}}={\int _{-\frac{L}{2}}^{\frac{L}{2}}}c{{X}_{i}}^{2}\left({x}\right){{\rm{d}}}{x}，$ (5)
 $\bar{{k}_{i}}={{\omega }_{si}}^{2}\bar{{\mu }_{i}}，$ (6)
 ${Q}_{i}={\int _{-\frac{L}{2}}^{\frac{L}{2}}}F(x,t){X}_{i}\left({x}\right){{\rm{d}}}{x} ，$ (7)

 ${M}_{c}\left(x,t\right)=\sum _{i=1}^{\infty }{q}_{i}\left(t\right){M}_{i}\left(x\right)，$ (8)
 ${Q}_{c}\left(x,t\right)=\sum _{i=1}^{\infty }{q}_{i}\left(t\right){Q}_{i}\left(x\right)。$ (9)

 ${h}=\dfrac {\scriptsize{{\mathrm{主}\mathrm{要}\mathrm{载}\mathrm{荷}\mathrm{参}\mathrm{数}\mathrm{的}\mathrm{长}\mathrm{期}\mathrm{预}\mathrm{报}\mathrm{极}\mathrm{值}}}}{\scriptsize{\mathrm{该}\mathrm{参}\mathrm{数}\mathrm{幅}\mathrm{频}\mathrm{响}\mathrm{应}\mathrm{最}\mathrm{大}\mathrm{值}}}=6.68\;{\rm{m}}。$

 图 1 非线性合成弯矩变化曲线 Fig. 1 Nonlinear composite bending moment curve

1） 随着船体垂向截面惯性矩的减小，波浪载荷的波频成分不变，而计及高频成分的非线性合成弯矩则有着随船体垂向截面惯性矩的减小而增大的趋势。船体的高频振动会导致其总体载荷中的高频成分显著增大，该结果与其他文献中的研究结果是相吻合的。

2） 根据计算结果，船体梁垂向惯性矩减小20%，会导致非线性中拱合成弯矩增大3.58%，非线性中垂合成弯矩增大2.65%。该结果表明非线性波浪载荷在船体结构优化中有着不可忽视的影响，把波浪载荷高频成分受刚度影响的变化考虑到船舶结构优化中来十分必要。

2 优化分析 2.1 算例船主尺度及剖面模型

 图 2 集装箱船舱段及优化剖面 Fig. 2 Container ship cabin and optimized section

2.2 结构优化计算及结果分析

 图 3 不考虑非线性波浪载荷（模型1）优化历程图 Fig. 3 Optimization history chart without considering nonlinear wave load（Model 1）

 图 4 考虑非线性波浪载荷（模型2）优化历程图 Fig. 4 Optimization history considering nonlinear wave load（Model 2）

3 结　语

1）船体的高频振动会导致其总体载荷中的高频成分显著增大，随着船体梁刚度的降低，波浪载荷的波频成分不变，而计及高频成分的非线性合成弯矩则有着随船体梁刚度减小而增大的趋势。计算结果显示，船体梁垂向惯性矩减小20%，会导致非线性中拱合成弯矩增大3.58%，非线性中垂合成弯矩增大2.65%。

2）对比船中剖面优化结果，在目标函数、设计变量以及约束条件相同的情况下，不考虑非线性波浪载荷影响的工况模型船中剖面面积减小5.085%，考虑非线性波浪载荷影响的工况模型船中剖面面积减小2.896%。随着优化的进行，船体梁刚度减小，导致波浪载荷不断增大，从而对优化的结果产生影响，因而有必要在船舶结构优化中考虑刚度变化与非线性波浪载荷相互耦合的影响。

3）对比两优化模型各位置板厚的变化趋势，考虑了非线性波浪载荷影响之后，对船体剖面距中和轴较远位置处的板列有着更高的要求。

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