韓 濤 吳嘉蒙 蔡詩劍

（1.中國船舶及海洋工程設計研究院 上海200011；2. 上海市船舶重點實驗室 上海200011）

引 言

等效設計波EDW（equivalent design wave）是目前船舶與海洋工程領域進行結構安全性評估時常用的載荷確定方法，基本原理是通過譜分析以及概率篩選等，確定船舶在規(guī)定的航行狀態(tài)時遇到的實際波浪工況，從而為結構強度評估提供所需要的局部載荷，包括舷外水壓力以及自身的慣性載荷等［1］。

等效設計波通常是通過對船體特定區(qū)域以及結構的應力進行譜分析，以篩選出起決定性作用的設計波，HCSR 中關于強度評估的設計波便是采用此方法確定［2］。此方法確定的設計波往往是針對典型區(qū)域的，最終確定的設計波數量較少且具有一定的典型性，但缺點是對于線型變化較大的船舶，其反映的并不一定是最危險的工況。如對于集裝箱船，根據BV 船級社規(guī)范，針對水平波浪彎矩，僅需要考慮船舯0.5L處水平彎矩到達最大值的情況；而實際分析結果顯示，使0.2L附近水平波浪彎矩到達最大值的設計波引起的垂向彎矩分量會明顯更大，對最終的應力計算結果作用更加明顯。

為應對此種情況，需進行大量設計波計算，以包絡值決定應力最大值的設計波。比如，原GL 規(guī)范中［3］，針對集裝箱船，針對某一個載況，在規(guī)則波中共選取約9 500 個設計波，以此得到其規(guī)范中要求的船體梁載荷等的包絡值，從而在此基礎上選定約20 個起決定作用的設計波，作為該載況下的強度評估等效設計波。

在設計階段（尤其是設計初期階段），對一些結構形式以及尺寸的確定，需要對全船作初期的強度評估，此時進行大量設計波運算然后作篩選是不現實的；而僅進行滿足規(guī)范角度的強度校核，可能會遺漏部分危險工況，對于設計初期階段的結構方案設計也不利的。因此，本次擬尋找一種適用于設計初期的全船強度校核方法，使其既能包含最危險的工況又無需進行大量計算工作。

1 方法簡介

艙段校核中，在施加完局部載荷后，通過調整船體梁載荷使船體梁載荷值到達要求的值，由此確保結構的最大應力能體現在艙段模型中［4］。本文在此方法的基礎上，將相關理論應用到全船分析，提出一種結合船體梁載荷調整和等效設計波法的全船校核方法，基本思路如圖1 所示。

傳統規(guī)范的方法是僅對于一個位置制定設計波，確保某個位置處的主導載荷到達最大值，如QRI 中的EDW2，但是容易遺漏某些危險工況，如EDW1 以及EDW3 的情況就會被忽略。而如果所有的設計波均考慮到，那么計算量會變得相當巨大。而本次采取的方法如ADJ 所示，選取任意一個設計波EDW_Selected（如本次的EDW_Selected即為ORI 中的EDW2）進行加載，然后通過船體梁載荷調整將船體梁載荷調整到多個設計波的包絡值，從而一次性反映多個設計波的情況。

相較于傳統規(guī)范的方法，本方法能避免遺漏危險的工況，同時不用進行大量設計波的譜分析等計算工作，較為簡便，適用于設計初期的強度校核工作。

2 方法驗證

2.1 驗證流程

為驗證此方法的合理性，本次擬采用如下的驗證方法：

具體驗證流程如下：

（1）分別制定使距船尾0.2L、0.3L…0.8L處垂向波浪彎矩到達最大值的7 個設計波，并進行局部載荷加載以及有限元分析，獲取7 個設計波的應力計算結果（HVM 工況的方法1 結果）；

（3）分別制定使距船尾0.15L、0.25L…0.85L處波浪扭矩到達最大值的8 個設計波，并進行局部載荷加載以及有限元分析，獲取8 個設計波的應力計算結果（OST 工況的方法1 結果）；

（5）分別比較同工況下兩種方法的計算結果，如果方法2的計算結果能包絡住方法1的計算結果，且誤差在合理范圍內（避免太過保守），則說明本文方法正確。

圖2 驗證過程流程圖

2.2 驗證模型

本次模型采取某18 000 標準箱集裝箱船，有限元模型及局部載荷施加如圖3 所示。

圖3 有限元模型及舷外水壓力施加圖

3 驗證結果

3.1 船體梁載荷積分結果

根據制定的各設計波的有限元計算結果，通過應力積分獲得其各個船體梁載荷沿船長的分布情況，計算結果如圖4 和圖5 所示。

圖4 HVM工況船體梁載荷沿船長分布

圖5 OST工況船體梁載荷沿船長分布

如圖4 和圖5 所示，其中Qv_x、Qh_x、Mv_x、Mh_x以及Mt_x（x 為0.2、0.25 等實數，表示距船尾的距離）分別表示按x 位置剖面制定設計波獲得的船舶各個剖面的垂向剪力、水平剪力、垂向彎矩、水平彎矩以及扭矩沿船長的分布曲線；Qv_enp、Qh_enp、Mv_enp、Mh_enp以 及Mt_enp分別表示各個船體梁載荷曲線的包絡值 ；Qv_S11A、Qv_BV、Qh_BV、Mv_S11A、Mv_BV、Mh_BV以 及Mt_BV分 別 表 示S11A 以及BV 規(guī)范中的各個船體梁載荷分布 ；Qv_targ、Qh_targ、Mv_ targ、Mh_targ以及Mt_targ表示各個船體梁載荷曲線的調整后的目標值。

由圖4 和圖5 可見，本次的目標值選取為多條線的包絡值，可以包絡住眾多曲線的情況；并且，本次還選取S11A 以及BV 船級社的相關曲線進行對比，可知本次選取的包絡值和規(guī)范值在同一水平線上，即本次的包絡值設定是合理的，同時也說明全船分析僅設定一個設計波可能并不能涵蓋最危險的情況。

由于結果發(fā)現包絡值和規(guī)范值相當接近，因此本文建議在缺少包絡值的前提下，可用規(guī)范值代替。

3.2 應力計算結果

為直觀地比較兩種方法的計算結果，本次選取上甲板以及外底板的計算結果進行對比，兩種方法的應力云圖對比如表1 和表2 所示。為了更直觀地對比兩者計算結果，將各個工況以及方法的應力最大值進行提取匯總，匯總結果如下頁表3 和表4 所示。

表1 兩種方法上甲板對比表（部分）

表2 兩種方法外底板對比表（部分）

表3 兩種方法上甲板和外底板對比表（HVM工況）

表4 兩種方法上甲板和外底板對比表（OST工況）

由表1 可知，兩種方法的應力分布基本符合該工況的特性，高應力區(qū)出現的位置也基本一致；同時也發(fā)現，對于OST 工況，不同設計波的計算結果存在較大差異。

在表3 以及表4 中，斜體加粗值為傳統規(guī)范的計算結果。通過對比可知：實際設計波中存在著比規(guī)范規(guī)定的結果更危險的波浪工況；由此也說明本文的方法能包絡住最危險的工況，誤差在10%以內，因此本方法是合理的。

4 結 語

本文提出以船體梁載荷調整和等效設計波相結合的總強度校核方法，其基本原理是加載一個設計波局部載荷，然后通過船體梁載荷調整將船體梁載荷調整至多個設計波的包絡值，從而一次性反映多個設計波的情況。驗證結果顯示，該方法的計算結果能包含多個設計波的計算結果，且誤差在10%以內。與傳統規(guī)范方法相比，該方法不容易遺漏最危險的工況，而且無需進行大量設計波計算，適用于設計初期的船體強度初步評估以及通過定性分析確定結構的基本形式。

由于時間受限，本次僅對一艘船進行驗證，針對本方法對于其他船型的適用性還有待進一步研究。