胡嘉駿，邵優(yōu)華，徐秋霞，王 輝，汪雪良

（1中國船舶科學研究中心，江蘇 無錫 214082；2海軍駐上海地區(qū)艦炮系統(tǒng)軍事代表室，上海 200129；3江蘇科技大學，江蘇 鎮(zhèn)江 212003）

基于實船試驗的主船體結(jié)構(gòu)安全性評估方法

胡嘉駿1，邵優(yōu)華2，徐秋霞3，王 輝1，汪雪良1

（1中國船舶科學研究中心，江蘇 無錫 214082；2海軍駐上海地區(qū)艦炮系統(tǒng)軍事代表室，上海 200129；3江蘇科技大學，江蘇 鎮(zhèn)江 212003）

與模型的水池試驗相比，風浪中實船的結(jié)構(gòu)響應測試困難得多，尤其是高浪級很難遇到，中低浪級的實船試驗結(jié)果如何用于船體結(jié)構(gòu)的安全性評估，成為關(guān)注的焦點。文中基于多條船的中低浪級的實船試驗結(jié)果，給出了比較強度和高浪級下船體應力的極值預報兩種船體結(jié)構(gòu)安全性的評估方法。研究結(jié)果表明所給出的評估方法為新建船舶主船體結(jié)構(gòu)的安全性評估提供了比較有效的工程應用工具。

主船體結(jié)構(gòu)；安全性評估；實船試驗；比較強度；極值預報

1 引 言

船體結(jié)構(gòu)均依據(jù)規(guī)范方法、直接設計方法或兩者結(jié)合的方法進行設計。新設計的船舶由于其主尺度、線型、總布置、重心位置、重量分布、結(jié)構(gòu)形式和構(gòu)件尺寸等重要參數(shù)一般不同于已經(jīng)服役多年并經(jīng)過風浪考驗的船舶；規(guī)范中的半經(jīng)驗半理論公式往往也不能完全正確地反映船體結(jié)構(gòu)的設計特點；設計者通過規(guī)范并不能知道相應海況下的船體結(jié)構(gòu)響應特性等。也就是說，對于新設計的船舶要更多地了解其船體結(jié)構(gòu)的安全性可以通過理論計算、模型試驗或相應的實船試驗。通過規(guī)定海況下的試驗，考核船體安全航行能力及在一定海況下的結(jié)構(gòu)強度，由于組織、經(jīng)費、時間和自然條件等方面的問題，與模型的水池試驗相比，風浪中實船的結(jié)構(gòu)響應測試困難得多，尤其是高浪級很難遇到，中低浪級的實船試驗結(jié)果如何用于船體結(jié)構(gòu)的安全性評估，成為關(guān)注的焦點。比較強度和高浪級下船體應力的極值預報方法是比較切實可行的辦法，下面結(jié)合實例就這兩種方法進行探討，以供參考。

2 船體結(jié)構(gòu)安全性評估的比較強度方法

表1 八條試驗船試驗海況及船中主甲板應力測量結(jié)果Tab.1 Environment condition of full-scale test of eight test ships and its test stress results at middle ship main deck

表2 七條試驗船在可比條件下的船中總縱彎曲應力比較Tab.2 Comparison of Longitudinal bending stresses at middle section of seven test ships in comparable condition

近年來開展的八條試驗船的試驗海況及船中主甲板應力測量結(jié)果列于表1。表1中試驗工況均為頂浪工況，此時船舶所受波浪載荷以垂向彎曲載荷為主，水平彎矩和扭矩比較小，此時船中主甲板應力可以表征為船中總縱垂向彎曲應力。表1中前七條船的船長比較接近，船用材料相同，從測量到的航速和波浪周期而言比較接近，具有比較大的可比性，各船單位波高下船中總縱垂向彎曲應力全幅值列于表2，從表2中三一值的結(jié)果可以看出這七條試驗船在可比條件下的船中總縱彎曲應力之比，從比較強度的角度來看，1號和2號船的總縱強度偏弱，如果1號和2號船的船體結(jié)構(gòu)經(jīng)長期航行考驗，則可以認為3～5號船的船體結(jié)構(gòu)安全性就總縱強度方面來說也能有保證。

3 實船試驗結(jié)果的極值預報方法

3.1 實船試驗結(jié)果的極值推斷方法

根據(jù)試驗數(shù)據(jù)本文可以兩種方法進行極值推斷。

1）Weibull方法

認為試驗結(jié)果符合Weibull分布。圖1為Weibull分布擬合圖，據(jù)此可以給出極值推斷值或依據(jù)下式進行Weibull分布的極值推斷。

（1）式表示：當超越概率Q=1/N時，極值推斷值為X，即在N個子樣中僅有1次超過極值推斷值X。α及λ為Weibull分布的形狀和尺度函數(shù)。

2）Ochi方法

根據(jù)Ochi方法[1-2]，如果進行載荷極值推斷，則：極值X為：

圖1 測量結(jié)果的Weibull分布擬合圖Fig.1 Test results fitted with Weibull distribution

這里：α為保證率,這里取0.01；N為子樣數(shù)；X1/3為測量結(jié)果有義值。

推斷的結(jié)果表示在1%保證率下一次風浪所可能遭遇到的最大值，類似于經(jīng)歷100次三一浪高相同的風浪所可能遭遇到的最大值。

對各工況，以上兩式中的N值按以下方法選取：根據(jù)收集的北大西洋一次海浪持續(xù)的時間統(tǒng)計包絡線[2]（見表4），取N=1小時遭遇子樣數(shù)×風浪持續(xù)時間。

以表1中第6條船相應試驗工況的試驗數(shù)據(jù)為例，按照以上兩種方法的推斷結(jié)果列于表3。Weibull和Ochi兩種極值推斷方法具有一致性。

表3 兩種方法的推斷結(jié)果Tab.3 Extraplation results with two methods

3.2 高浪級下船體應力的極值預報

3.1節(jié)給出了相應試驗海況下的兩種極值推斷方法，更關(guān)心的是其它海況[3]下的結(jié)果如何預報。從表1中實測海況可以看到，由于條件限制試驗僅在單一波浪周期下進行，這一周期不一定是試驗船舶總縱彎曲響應最大的周期，可以輔以必要的計算來進行推斷。

圖2～4是依據(jù)三條船的船體資料，運用線性波浪載荷計算方法[5]，進行的單位波高下各周期波浪載荷計算的結(jié)果，從中可以看出船體總縱彎曲響應最大的周期分別為7.0 s、7.5 s和9.1 s，可據(jù)此對試驗三一值進行修正。

圖2 3號船船中波浪彎矩三一值分布Fig.2 Wave-induced bending moment distributio at middle section of ship No.3

考慮到高浪級下船體結(jié)構(gòu)響應的非線性現(xiàn)象[4]：垂向彎矩中垂/中拱＜0.6/0.4。進行中垂應力預報時取中垂系數(shù)為0.6，進行中拱應力預報時取中拱系數(shù)為0.45，進行船體結(jié)構(gòu)應力的極值預報時可用該值進行中垂中拱應力分離。三條船各波高下的極值預報結(jié)果列于表4和圖5～7，各船船中彎曲應力極值隨浪高的增高呈現(xiàn)出非線性，預報結(jié)果可以結(jié)合船體結(jié)構(gòu)特性評估各船在各浪級下的船體結(jié)構(gòu)安全性。

表4中結(jié)果與靜水彎曲應力疊加后，在14 m波高下，船中主甲板中垂彎曲應力均小于船體結(jié)構(gòu)屈曲應力和屈服應力，中拱彎曲應力小于船體結(jié)構(gòu)屈服應力。表明在此推斷海況下這三條船的主船體結(jié)構(gòu)尚有較大的安全儲備。

圖4 8號船船中波浪彎矩三一值分布Fig.4 Wave-induced bending moment distribution at middle section of ship No.8

表4 三條船船中應力極值預報結(jié)果Tab.4 Extremum prediction of stress at middle ship main deck of three ships

圖5 3號船各浪級下船中應力極值預報Fig.5 Extremum prediction of stress at middle ship main deck of ship No.3

圖6 6號船各浪級下船中應力極值預報Fig.6 Extremum prediction of stress at middle ship main deck of ship No.6

4 結(jié) 論

本文基于多條船的中低浪級的實船試驗結(jié)果，給出了兩種船體結(jié)構(gòu)安全性的評估方法，即：比較強度和高浪級下船體應力的極值預報方法。

（1）對于船體結(jié)構(gòu)形式和材料比較接近的船舶，實船試驗結(jié)果分析時可考慮使用比較強度方法對船體結(jié)構(gòu)安全性進行評估。

（2）實船試驗結(jié)果一般能夠符合Weibull分布，在此基礎(chǔ)上Weibull和Ochi兩種極值推斷方法具有一致性。

（3）基于中低浪級的實船試驗結(jié)果，所預報的各船船中彎曲應力極值隨浪高的增高呈現(xiàn)出非線性，預報結(jié)果可以結(jié)合船體結(jié)構(gòu)特性評估各船在各浪級下的船體結(jié)構(gòu)安全性，當然如果能夠結(jié)合模型試驗的結(jié)果將更具說服力。

圖7 8號船各浪級下船中應力極值預報Fig.7 Extremum prediction of stress at middle ship main deck of ship No.8

[1]Owen F.Huges ship structural design-A rationally-based,computer-aided,optimization approach[M].John Wiley&Sons,Inc,1983.

[2]Ochi M K.Wave statistics for the design of ships and ocean structures[J].Trans.SNAME,1978,86:47-76.

[3]IACS RECOMMENDATION No.34 ‘Standard Wave Data’[K].2001.

[4]胡嘉駿,等.風浪中水面艦船實船結(jié)構(gòu)響應測試技術(shù)及其應用[C].中國鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會海洋鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會2000年學術(shù)會議論文集,2000:104-110.

[5]胡嘉駿.艦艇結(jié)構(gòu)直接設計方法研究總結(jié)報告[R].無錫:中國船舶科學研究中心科技報告,CK-11528,2006.

Ship hull girder safety assessment based on the full-scale test results

HU Jia-jun1,SHAO You-hua2,XU Qiu-xia3,WANG Hui1,WANG Xue-liang1

(1 China Ship Scientific Research Center,Wuxi 214082,China;2 Naval Representative Office in Shanghai,Shanghai 200129,China;3 Jiangsu University of Science and Technology,Zhenjiang 212003,China)

Comparing with the wave-induced load model test,it is difficult to carry out the full-scale test in rough seas.For the large class wave rarely encountered,the full-scale tests(short-term)are almost processed in medium class wave.In this paper,the suitable methods were established based on the full-scale test results for the safety assessment of the ship hull structure.Comparative strength and ship stress short-term extremum forecast in any class wave that based on the results of the test processing in medium class wave were applied to assess the safety of the ship hull girder.The comparative and extremum estimation results indicate that the safety assessment method can be applied as availability engineering tools to assess the safety of a new built ship’s hull girder.

ship hull girder;safety assessment;full-scale test;comparative strength;extremum prediction

U661.2

A

1007-7294（2011）11-1278-05

2011-07-12

胡嘉駿（1965-），男，中國船舶科學研究中心研究員；邵優(yōu)華（1964-），男，高級工程師。