一种六级海况下船舶波浪载荷等效设计波确定方法与流程

本发明涉及船舶结构安全领域，尤其是一种六级海况下船舶波浪载荷等效设计波确定方法。

背景技术：

1、六级海况有义波高范围为4m～6m，属于中等浪级，是海洋中出现频率相对较高的海况，中高浪级下船体航行时结构安全性是船舶设计者较为关心的问题。按照第一性原则，在对船体结构安全性进行评估时需要明确船体遭受的环境外载荷。而波浪载荷，即海浪对船体外板的水压力是船体遭受的主要外载荷。明确六级海况下船体遭受的波浪外载荷，进而开展船体结构安全性分析是自然的。

2、但是目前船体结构设计规范中并没有对六级海况下船体遭受的波浪载荷做出规定。船体结构设计规范中一般在总纵强度章节对船体波浪设计载荷值进行规定，但该设计载荷是对应船舶在整个使用寿命周期内遭受的载荷，并不适用于船舶遭遇的某一具体海况(例如六级海况)。六级海况下船体遭受的波浪特征载荷是明显小于规范中设计载荷，所以在评估六级海况下船体结构安全性时采用规范中的设计载荷是不恰当的，会明显高估船体结构响应。为此，为了准确评估六级海况下船体结构响应，需要明确六级海况下船体波浪载荷特征值及计算方法。

技术实现思路

1、本发明人针对上述问题及技术需求，提出了一种六级海况下船舶波浪载荷等效设计波确定方法。本发明的技术方案如下：

2、一种六级海况下船舶波浪载荷等效设计波确定方法，包括如下步骤：

3、将船体视为变截面梁，对于航速一定的船舶，计算在不同波浪条件下的船体梁剖面处的波浪载荷传递函数，波浪条件包括入射波浪的不同浪向角和不同圆频率；

4、基于船体梁剖面处的波浪载荷传递函数，计算六级海况有义波高范围内不同浪向角、不同跨零周期下的波浪载荷短期预报极值；

5、从所有波浪载荷短期预报极值中选出一个最大值，基于最大值确定六级海况下波浪载荷的等效设计波参数，其中等效设计波为正弦规则波，参数包括波幅、圆频率和浪向。

6、其进一步的技术方案为，计算在不同波浪条件下的船体梁剖面处的波浪载荷传递函数，包括：

7、利用假想剖面将船体梁切分，切分后的船体梁分段在重力/重力矩、波浪力/波浪力矩、惯性力/惯性力矩以及船体梁剖面处的波浪载荷作用下平衡，船体梁剖面处的波浪载荷包括沿着xyz坐标轴三个方向上的作用力与力矩；

8、在每个波浪条件下，计算海水压力对船体梁分段引起的波浪力与波浪力矩，以及计算船体梁分段质量引起的惯性力与惯性力矩，和船体梁分段重力与重力矩一起代入到力/力矩的平衡式中，得到不同波浪条件下的船体梁剖面处的波浪载荷；

9、计算单位波幅下的波浪载荷作为船体梁剖面处的波浪载荷传递函数。

10、其进一步的技术方案为，计算海水压力对船体梁分段引起的波浪力与波浪力矩，包括：

11、将船体湿表面离散网格化，获得船体湿表面各网格单元中心处的速度势；

12、将速度势代入bernoulli方程得到各网格单元中心点的海水压力；

13、则海水压力对船体梁分段的力和力矩为：

14、

15、其中，f、m为海水压力引起的波浪力与波浪力矩，s为船体湿表面，n为船体湿表面面元法线矢量，p为船体湿表面每个网格中心受到的海水压力，r为弯矩矢径。

16、其进一步的技术方案为，计算船体梁分段质量引起的惯性力与惯性力矩，包括：

17、假设船体梁为刚体，运用牛顿第二定律建立运动方程：：

18、

19、其中，m为船体梁分段质量矩阵，分别为分段质心速度和位移，i为船体梁分段惯性矩；

20、将计算得到的海水压力对船体梁分段引起的波浪力与波浪力矩代入运动方程中，求得分段质心线加速度与转动角加速度

21、将船体梁分段质量与分段质心线加速度相乘得到船体梁分段质量引起的惯性力，将船体梁分段惯性矩与分段质心转动角加速度相乘得到船体梁分段质量引起的惯性力矩。

22、其进一步的技术方案为，获得船体湿表面各网格单元中心处的速度势，包括：

23、船体湿表面各网格单元中心处的速度势为入射速度势φii、绕射速度势φd以及辐射速度势φr之和；

24、其中，入射速度势φi的表达式为：

25、

26、式中，g为重力加速度，a为入射波浪波幅，(x,y,z)为场点坐标，h为海域深度，ω为入射波浪圆频率，β入射波浪浪向角，k为波数；

27、辐射速度势φr分解为6个自由度上的分量：

28、

29、式中，ξj表示沿xyz三个坐标轴的线位移，以及绕三个坐标轴转动的角位移；φj表示单位位移下的辐射速度势；

30、分别设定单位位移下的辐射速度势以及绕射速度势φd满足的边界条件，用于求解出船体湿表面各网格单元中心处的绕射速度势φd和辐射速度势φr。

31、其进一步的技术方案为，在计算船体梁剖面处的波浪载荷时：

32、切分位置在船体梁中部，在每个波浪条件下，计算海水压力对船体梁分段引起的波浪力矩y轴分量，以及计算船体梁分段质量引起的惯性力矩y轴分量，与船体梁分段重力矩y轴分量一起代入到力矩的平衡式中，得到不同波浪条件下的船体梁中部剖面处的垂向力矩作为波浪载荷。

33、其进一步的技术方案为，基于船体梁剖面处的波浪载荷传递函数，计算六级海况有义波高范围内不同浪向角、不同跨零周期下的波浪载荷短期预报极值，包括：

34、基于船体梁剖面处的波浪载荷传递函数，计算六级海况有义波高范围内不同浪向角、不同跨零周期作用下的波浪载荷响应谱：

35、sresponse＝rao2·swave

36、式中，sresponse为船体梁剖面处的波浪载荷响应谱密度，rao为船体梁剖面处的波浪载荷传递函数，swave为在指定六级海况有义波高hs和跨零周期tz波浪作用下的波浪谱密度；

37、基于波浪载荷响应谱计算六级海况下波浪载荷短期预报极值。

38、其进一步的技术方案为，基于波浪载荷响应谱计算六级海况下波浪载荷短期预报极值，包括：

39、短期六级海况下波浪载荷服从rayleigh分布，则船体梁剖面处的波浪载荷的三分之一有义值msig表达式为：

40、

41、其中m0为波浪载荷响应谱0阶矩，表达式为：

42、

43、其中ω为入射波浪圆频率；则六级海况下波浪载荷短期预报极值mmax为：

44、mmax＝2.12msig。

45、其进一步的技术方案为，波浪谱密度选择双参数pm谱，表示为：

46、

47、其中，ω为入射波浪圆频率。

48、其进一步的技术方案为，基于最大值确定六级海况下波浪载荷的等效设计波参数，包括：

49、最大值对应的浪向角为等效设计波浪向；

50、最大值对应的波浪载荷传递函数峰值处的圆频率为等效设计波圆频率；

51、最大值与其对应的波浪载荷传递函数峰值的比值为等效设计波波幅。

52、本发明的有益技术效果是：

53、本方法中首先计算出在不同波浪条件下的船体梁剖面处的波浪载荷传递函数，从而计算得到六级海况有义波高范围内不同浪向角、不同跨零周期下的波浪载荷短期预报极值，从中选出一个最大值用于确定六级海况下等效设计波参数。本技术采用规则波模型来描述海浪，规则波是形式简单的正弦曲线型波浪，通过波幅、圆频率、浪向、相位等参数即可定义。通过构造一个规则波来模拟船体遭受的最不利状态，将随机波下船体遭受的载荷问题研究转化为规则波下船体载荷问题的研究，不仅可以简化计算，还对于后续研究船体载荷水平与结构安全性有重要意义。