基于实船试验的主船体结构安全性评估方法

胡嘉骏，邵优华，徐秋霞，王 辉，汪雪良

（1中国船舶科学研究中心，江苏 无锡 214082；2海军驻上海地区舰炮系统军事代表室，上海 200129；3江苏科技大学，江苏 镇江 212003）

基于实船试验的主船体结构安全性评估方法

胡嘉骏1，邵优华2，徐秋霞3，王 辉1，汪雪良1

（1中国船舶科学研究中心，江苏 无锡 214082；2海军驻上海地区舰炮系统军事代表室，上海 200129；3江苏科技大学，江苏 镇江 212003）

与模型的水池试验相比，风浪中实船的结构响应测试困难得多，尤其是高浪级很难遇到，中低浪级的实船试验结果如何用于船体结构的安全性评估，成为关注的焦点。文中基于多条船的中低浪级的实船试验结果，给出了比较强度和高浪级下船体应力的极值预报两种船体结构安全性的评估方法。研究结果表明所给出的评估方法为新建船舶主船体结构的安全性评估提供了比较有效的工程应用工具。

主船体结构；安全性评估；实船试验；比较强度；极值预报

1 引 言

船体结构均依据规范方法、直接设计方法或两者结合的方法进行设计。新设计的船舶由于其主尺度、线型、总布置、重心位置、重量分布、结构形式和构件尺寸等重要参数一般不同于已经服役多年并经过风浪考验的船舶；规范中的半经验半理论公式往往也不能完全正确地反映船体结构的设计特点；设计者通过规范并不能知道相应海况下的船体结构响应特性等。也就是说，对于新设计的船舶要更多地了解其船体结构的安全性可以通过理论计算、模型试验或相应的实船试验。通过规定海况下的试验，考核船体安全航行能力及在一定海况下的结构强度，由于组织、经费、时间和自然条件等方面的问题，与模型的水池试验相比，风浪中实船的结构响应测试困难得多，尤其是高浪级很难遇到，中低浪级的实船试验结果如何用于船体结构的安全性评估，成为关注的焦点。比较强度和高浪级下船体应力的极值预报方法是比较切实可行的办法，下面结合实例就这两种方法进行探讨，以供参考。

2 船体结构安全性评估的比较强度方法

表1 八条试验船试验海况及船中主甲板应力测量结果Tab.1 Environment condition of full-scale test of eight test ships and its test stress results at middle ship main deck

表2 七条试验船在可比条件下的船中总纵弯曲应力比较Tab.2 Comparison of Longitudinal bending stresses at middle section of seven test ships in comparable condition

近年来开展的八条试验船的试验海况及船中主甲板应力测量结果列于表1。表1中试验工况均为顶浪工况，此时船舶所受波浪载荷以垂向弯曲载荷为主，水平弯矩和扭矩比较小，此时船中主甲板应力可以表征为船中总纵垂向弯曲应力。表1中前七条船的船长比较接近，船用材料相同，从测量到的航速和波浪周期而言比较接近，具有比较大的可比性，各船单位波高下船中总纵垂向弯曲应力全幅值列于表2，从表2中三一值的结果可以看出这七条试验船在可比条件下的船中总纵弯曲应力之比，从比较强度的角度来看，1号和2号船的总纵强度偏弱，如果1号和2号船的船体结构经长期航行考验，则可以认为3～5号船的船体结构安全性就总纵强度方面来说也能有保证。

3 实船试验结果的极值预报方法

3.1 实船试验结果的极值推断方法

根据试验数据本文可以两种方法进行极值推断。

1）Weibull方法

认为试验结果符合Weibull分布。图1为Weibull分布拟合图，据此可以给出极值推断值或依据下式进行Weibull分布的极值推断。

（1）式表示：当超越概率Q=1/N时，极值推断值为X，即在N个子样中仅有1次超过极值推断值X。α及λ为Weibull分布的形状和尺度函数。

2）Ochi方法

根据Ochi方法[1-2]，如果进行载荷极值推断，则：极值X为：

图1 测量结果的Weibull分布拟合图Fig.1 Test results fitted with Weibull distribution

这里：α为保证率,这里取0.01；N为子样数；X1/3为测量结果有义值。

推断的结果表示在1%保证率下一次风浪所可能遭遇到的最大值，类似于经历100次三一浪高相同的风浪所可能遭遇到的最大值。

对各工况，以上两式中的N值按以下方法选取：根据收集的北大西洋一次海浪持续的时间统计包络线[2]（见表4），取N=1小时遭遇子样数×风浪持续时间。

以表1中第6条船相应试验工况的试验数据为例，按照以上两种方法的推断结果列于表3。Weibull和Ochi两种极值推断方法具有一致性。

表3 两种方法的推断结果Tab.3 Extraplation results with two methods

3.2 高浪级下船体应力的极值预报

3.1节给出了相应试验海况下的两种极值推断方法，更关心的是其它海况[3]下的结果如何预报。从表1中实测海况可以看到，由于条件限制试验仅在单一波浪周期下进行，这一周期不一定是试验船舶总纵弯曲响应最大的周期，可以辅以必要的计算来进行推断。

图2～4是依据三条船的船体资料，运用线性波浪载荷计算方法[5]，进行的单位波高下各周期波浪载荷计算的结果，从中可以看出船体总纵弯曲响应最大的周期分别为7.0 s、7.5 s和9.1 s，可据此对试验三一值进行修正。

图2 3号船船中波浪弯矩三一值分布Fig.2 Wave-induced bending moment distributio at middle section of ship No.3

考虑到高浪级下船体结构响应的非线性现象[4]：垂向弯矩中垂/中拱＜0.6/0.4。进行中垂应力预报时取中垂系数为0.6，进行中拱应力预报时取中拱系数为0.45，进行船体结构应力的极值预报时可用该值进行中垂中拱应力分离。三条船各波高下的极值预报结果列于表4和图5～7，各船船中弯曲应力极值随浪高的增高呈现出非线性，预报结果可以结合船体结构特性评估各船在各浪级下的船体结构安全性。

表4中结果与静水弯曲应力叠加后，在14 m波高下，船中主甲板中垂弯曲应力均小于船体结构屈曲应力和屈服应力，中拱弯曲应力小于船体结构屈服应力。表明在此推断海况下这三条船的主船体结构尚有较大的安全储备。

图4 8号船船中波浪弯矩三一值分布Fig.4 Wave-induced bending moment distribution at middle section of ship No.8

表4 三条船船中应力极值预报结果Tab.4 Extremum prediction of stress at middle ship main deck of three ships

图5 3号船各浪级下船中应力极值预报Fig.5 Extremum prediction of stress at middle ship main deck of ship No.3

图6 6号船各浪级下船中应力极值预报Fig.6 Extremum prediction of stress at middle ship main deck of ship No.6

4 结 论

本文基于多条船的中低浪级的实船试验结果，给出了两种船体结构安全性的评估方法，即：比较强度和高浪级下船体应力的极值预报方法。

（1）对于船体结构形式和材料比较接近的船舶，实船试验结果分析时可考虑使用比较强度方法对船体结构安全性进行评估。

（2）实船试验结果一般能够符合Weibull分布，在此基础上Weibull和Ochi两种极值推断方法具有一致性。

（3）基于中低浪级的实船试验结果，所预报的各船船中弯曲应力极值随浪高的增高呈现出非线性，预报结果可以结合船体结构特性评估各船在各浪级下的船体结构安全性，当然如果能够结合模型试验的结果将更具说服力。

图7 8号船各浪级下船中应力极值预报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]胡嘉骏,等.风浪中水面舰船实船结构响应测试技术及其应用[C].中国钢结构协会海洋钢结构协会2000年学术会议论文集,2000:104-110.

[5]胡嘉骏.舰艇结构直接设计方法研究总结报告[R].无锡:中国船舶科学研究中心科技报告,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

胡嘉骏（1965-），男，中国船舶科学研究中心研究员；邵优华（1964-），男，高级工程师。