基于船体梁载荷调整的集装箱船总强度评估方法研究

韩 涛 吴嘉蒙 蔡诗剑

（1.中国船舶及海洋工程设计研究院 上海200011；2. 上海市船舶重点实验室 上海200011）

引 言

等效设计波EDW（equivalent design wave）是目前船舶与海洋工程领域进行结构安全性评估时常用的载荷确定方法，基本原理是通过谱分析以及概率筛选等，确定船舶在规定的航行状态时遇到的实际波浪工况，从而为结构强度评估提供所需要的局部载荷，包括舷外水压力以及自身的惯性载荷等［1］。

等效设计波通常是通过对船体特定区域以及结构的应力进行谱分析，以筛选出起决定性作用的设计波，HCSR 中关于强度评估的设计波便是采用此方法确定［2］。此方法确定的设计波往往是针对典型区域的，最终确定的设计波数量较少且具有一定的典型性，但缺点是对于线型变化较大的船舶，其反映的并不一定是最危险的工况。如对于集装箱船，根据BV 船级社规范，针对水平波浪弯矩，仅需要考虑船舯0.5L处水平弯矩到达最大值的情况；而实际分析结果显示，使0.2L附近水平波浪弯矩到达最大值的设计波引起的垂向弯矩分量会明显更大，对最终的应力计算结果作用更加明显。

为应对此种情况，需进行大量设计波计算，以包络值决定应力最大值的设计波。比如，原GL 规范中［3］，针对集装箱船，针对某一个载况，在规则波中共选取约9 500 个设计波，以此得到其规范中要求的船体梁载荷等的包络值，从而在此基础上选定约20 个起决定作用的设计波，作为该载况下的强度评估等效设计波。

在设计阶段（尤其是设计初期阶段），对一些结构形式以及尺寸的确定，需要对全船作初期的强度评估，此时进行大量设计波运算然后作筛选是不现实的；而仅进行满足规范角度的强度校核，可能会遗漏部分危险工况，对于设计初期阶段的结构方案设计也不利的。因此，本次拟寻找一种适用于设计初期的全船强度校核方法，使其既能包含最危险的工况又无需进行大量计算工作。

1 方法简介

舱段校核中，在施加完局部载荷后，通过调整船体梁载荷使船体梁载荷值到达要求的值，由此确保结构的最大应力能体现在舱段模型中［4］。本文在此方法的基础上，将相关理论应用到全船分析，提出一种结合船体梁载荷调整和等效设计波法的全船校核方法，基本思路如图1 所示。

传统规范的方法是仅对于一个位置制定设计波，确保某个位置处的主导载荷到达最大值，如QRI 中的EDW2，但是容易遗漏某些危险工况，如EDW1 以及EDW3 的情况就会被忽略。而如果所有的设计波均考虑到，那么计算量会变得相当巨大。而本次采取的方法如ADJ 所示，选取任意一个设计波EDW_Selected（如本次的EDW_Selected即为ORI 中的EDW2）进行加载，然后通过船体梁载荷调整将船体梁载荷调整到多个设计波的包络值，从而一次性反映多个设计波的情况。

相较于传统规范的方法，本方法能避免遗漏危险的工况，同时不用进行大量设计波的谱分析等计算工作，较为简便，适用于设计初期的强度校核工作。

2 方法验证

2.1 验证流程

为验证此方法的合理性，本次拟采用如下的验证方法：

具体验证流程如下：

（1）分别制定使距船尾0.2L、0.3L…0.8L处垂向波浪弯矩到达最大值的7 个设计波，并进行局部载荷加载以及有限元分析，获取7 个设计波的应力计算结果（HVM 工况的方法1 结果）；

（3）分别制定使距船尾0.15L、0.25L…0.85L处波浪扭矩到达最大值的8 个设计波，并进行局部载荷加载以及有限元分析，获取8 个设计波的应力计算结果（OST 工况的方法1 结果）；

（5）分别比较同工况下两种方法的计算结果，如果方法2的计算结果能包络住方法1的计算结果，且误差在合理范围内（避免太过保守），则说明本文方法正确。

图2 验证过程流程图

2.2 验证模型

本次模型采取某18 000 标准箱集装箱船，有限元模型及局部载荷施加如图3 所示。

图3 有限元模型及舷外水压力施加图

3 验证结果

3.1 船体梁载荷积分结果

根据制定的各设计波的有限元计算结果，通过应力积分获得其各个船体梁载荷沿船长的分布情况，计算结果如图4 和图5 所示。

图4 HVM工况船体梁载荷沿船长分布

图5 OST工况船体梁载荷沿船长分布

如图4 和图5 所示，其中Qv_x、Qh_x、Mv_x、Mh_x以及Mt_x（x 为0.2、0.25 等实数，表示距船尾的距离）分别表示按x 位置剖面制定设计波获得的船舶各个剖面的垂向剪力、水平剪力、垂向弯矩、水平弯矩以及扭矩沿船长的分布曲线；Qv_enp、Qh_enp、Mv_enp、Mh_enp以 及Mt_enp分别表示各个船体梁载荷曲线的包络值 ；Qv_S11A、Qv_BV、Qh_BV、Mv_S11A、Mv_BV、Mh_BV以 及Mt_BV分 别 表 示S11A 以及BV 规范中的各个船体梁载荷分布 ；Qv_targ、Qh_targ、Mv_ targ、Mh_targ以及Mt_targ表示各个船体梁载荷曲线的调整后的目标值。

由图4 和图5 可见，本次的目标值选取为多条线的包络值，可以包络住众多曲线的情况；并且，本次还选取S11A 以及BV 船级社的相关曲线进行对比，可知本次选取的包络值和规范值在同一水平线上，即本次的包络值设定是合理的，同时也说明全船分析仅设定一个设计波可能并不能涵盖最危险的情况。

由于结果发现包络值和规范值相当接近，因此本文建议在缺少包络值的前提下，可用规范值代替。

3.2 应力计算结果

为直观地比较两种方法的计算结果，本次选取上甲板以及外底板的计算结果进行对比，两种方法的应力云图对比如表1 和表2 所示。为了更直观地对比两者计算结果，将各个工况以及方法的应力最大值进行提取汇总，汇总结果如下页表3 和表4 所示。

表1 两种方法上甲板对比表（部分）

表2 两种方法外底板对比表（部分）

表3 两种方法上甲板和外底板对比表（HVM工况）

表4 两种方法上甲板和外底板对比表（OST工况）

由表1 可知，两种方法的应力分布基本符合该工况的特性，高应力区出现的位置也基本一致；同时也发现，对于OST 工况，不同设计波的计算结果存在较大差异。

在表3 以及表4 中，斜体加粗值为传统规范的计算结果。通过对比可知：实际设计波中存在着比规范规定的结果更危险的波浪工况；由此也说明本文的方法能包络住最危险的工况，误差在10%以内，因此本方法是合理的。

4 结 语

本文提出以船体梁载荷调整和等效设计波相结合的总强度校核方法，其基本原理是加载一个设计波局部载荷，然后通过船体梁载荷调整将船体梁载荷调整至多个设计波的包络值，从而一次性反映多个设计波的情况。验证结果显示，该方法的计算结果能包含多个设计波的计算结果，且误差在10%以内。与传统规范方法相比，该方法不容易遗漏最危险的工况，而且无需进行大量设计波计算，适用于设计初期的船体强度初步评估以及通过定性分析确定结构的基本形式。

由于时间受限，本次仅对一艘船进行验证，针对本方法对于其他船型的适用性还有待进一步研究。