文摘
20000 TEU集装箱船的总长度大约400被设计为一个目标船调查船水特征的联合工业项目似(吉格)cssrc - 20000 TEU。一套系统的模型试验进行耐波性波CSSRC盆地。提出了大型船舶水弹性模型数据实验模态特性的测定。集装箱船模型的模态测试的前提是水弹性分析。固有频率和模态的试验船的形状模型可以用来证实了有限元模型的准确性。一个三维有限元模型(FEM)船舶采用真空中进行模态分析并提供模态参数来决定水实验的大型船舶模型数据。通过水弹性分析,湿频率对应于每一个弹性的运动模式。好的协议是实现之间的数值结果和测量数据,特别是对于低阶模式。只有当干和湿模式的数值计算与实验结果一致,集装箱船模型的运动响应和结构载荷计算与实验结果。因此,研究水弹性分析的模态测试是非常重要的。 As the input data, the FEM will be shared with JIP members for further comparative studies of linear and nonlinear hydroelastic analyses. The experiments help provide reliable and accurate benchmark model test data for comparative studies using numerical software and methods.
1。介绍
随着社会经济的发展和交通需求,集装箱船已经逐渐变得越来越快,一些superstandard船只越来越多的设计和建造。20000 TEU集装箱船的总长度达到400米。集装箱船的船头是相对明显,通常是高速度。船舶撞击的现象很明显,当波浪中航行。集装箱船船体的纵向强度是至关重要的。随着船的大小增加,集装箱船船体的垂直刚度和抗扭刚度明显降低。同时,海浪引发的振动可能发生在较冷的海水条件下,导致严重的船体结构疲劳问题。强非线性特征往往在船行波的负载。非线性波浪载荷的确定集装箱船舶的安全具有十分重要的意义和结构设计。
我们最著名的集装箱船它S175是第一个货柜船标准模型(1978)和仍然是唯一标准模型用于教学和研究国内外最引用模型(1- - - - - -4]。金和金5)计算的弹性振动和鞭打6500 TEU集装箱船和一个虚构的10000 TEU集装箱船的基础上,结合三维(3 d)兰金源和三维结构模型。梁元素的组合用于考虑二维(2 d)的抨击普遍瓦格纳负载模型。Senjanovićet al。6)提出,水弹性分析是最合适的方法设计合理的集装箱船,和自由振动分析是最重要的步骤之一。这可以通过使用一维(1 d)或三维有限元模型(FEM)船舶结构。梁模型通常用于初步设计阶段,和完整的3 d有限元法更适合考试最后的力量。Malenica和Derbanne7)声称,随着船的长度增加,水的结构响应的超大集装箱船是更重要的。大号的,将近400米之间的竖线,导致结构的固有频率较低。他们还声称的正确模拟水船舶结构响应和总体设计中所包含的程序要复杂得多比静态结构响应的评估。Hirdaris et al。8)回顾了几种不同的流固耦合方法对船舶运动和负载。弱非线性波浪载荷应用于10000 TEU集装箱船。在船中部负载不仅是合理的,但也适用于从船头到船尾。波激发力的预测潜在的辐射和绕射势时更精确的瞬时湿表面被认为是。你们et al。9)使用三维势流理论和薄壁梁理论计算水弹性问题的大型集装箱船。采用高阶等参边界元法解决水动力边值问题的边界积分方程,和结构简化考虑翘曲。薄壁梁的有限元法研究了旋转剪切的影响和部分,以及大型的货舱和扭转框。计算结果与试验数据进行比较,得到了良好的计算精度和计算效率。根据ABS船级社规定的鞭打和海浪引发的振动响应,林et al。10]花了16000 TEU超大型集装箱船为例,解释各种分类的规范社会关于水的效果。超大集装箱船的研究发现,水的影响不容忽视,它有不同的影响的纵向弯曲和疲劳损伤。鞭打增加了在船中部的弯矩和剪切力20%∼25%。海浪引发的振动也会影响船。累积疲劳损伤增加了近20%。陈(11)研究了两种效果的不可逾越的波浪诱导振动和鞭打的现象造成的船体强度的纵向强度和疲劳强度设计中超大型船舶。他试图提出一个方法,前面提到的两种船舶力学在船舶设计的初始阶段。有关预测方法的前沿问题解决设计师的困难,他指出在计算各种不确定因素的影响。他指出,现代设计中超大民用船只,它是极其重要的,加强模型试验和全船实验当目前的理论不能完全解释波浪诱导的耦合振动和鞭打和准确分开各自的影响。这是唯一的方法,以确保船舶的安全。汉et al。12]介绍了18000 TEU超大集装箱船具有很高的速度和巨大的弓,和一阶固有频率低于传统的船舶类型,这可能会导致出现和鞭打。应用水弹性分析,讨论影响的鞭打和起拱超大集装箱船结构的极限强度和疲劳强度。以18000 TEU超大集装箱船为研究对象,Zhang et al。13)考虑对称矩阵和反对称矩阵的影响模式和有限元方法用于干模态分析。基于三维线性水弹性理论在频域和光谱分析方法,热点应力响应解决。结合线性累积损伤方法,疲劳寿命和疲劳的波浪诱导振动的影响孵化角落。发现海浪引发的振动会引起高频响应的负荷和压力。疲劳累积损伤的舱口已明显增加,角落和疲劳寿命已经减少了50%。
除了前面提到的学者们的详细分析和研究集装箱船的水弹性,许多作者回顾了近年来研究[14- - - - - -16]。他们进行了详细的分析外部负载如海浪引发出来的水弹性船,特别是集装箱船,也给运动响应和结构负载评估由冲击引起的。
从2005年到2009年,发起的;MOERI(海上和海洋研究所)油轮的测试结果相比,集装箱船,水面舰艇标准化的功能不同的船舶操纵模拟方法(基于CFD方法)测试。
国际联合工业项目会(船舶波浪诱导载荷)我(2006∼2008),二世(2008∼2011),三世(2012∼2014)发起,由MOERI。6750 TEU和10000 TEU集装箱船,进行的一系列研究,包括波加载、模态测试,水弹性响应,线性和非线性、船全面测试,等等。
从2009年到2012年,法国船级社(BV)发起TULCS超大型集装箱船(工具)国际联合工业项目进行数值计算和实验比较研究海浪引发的振动和slamming-induced鞭打14000 TEU集装箱船。
调查出来的影响和鞭打船结构的弯曲和扭转的时刻,一个联合工业项目似(吉格)命名比较研究出现反应的货柜船20000 TEU (CSSRC - 20000 TEU)是由Yousheng吴教授从中国船舶科学研究中心(CSSRC),这将持续大约四年从2018年到2022年。其他发起人或似这吉格的成员包括中国船级社(CCS),劳埃德船级社(LR)、法国船级社(BV)、美国船级社(ABS),类NK (NK),韩国船级社(KR),印度船级社(IRS),上海外高桥造船有限公司(慢波睡眠),上海商船设计&研究所(SDARI),南安普顿大学(uo),查尔姆斯理工大学的(减少),上海交通大学(大学),哈尔滨工程大学(HEU),大连理工大学(DUT)、华中科技大学(公司),武汉科技大学(自慰),和江苏科技大学(只)。似cssrc - 20000 TEU吉格的发起者和图所示1。似介绍这个吉格在网站上可以找到:jip.cssrc.com。
似这吉格包含四个方面的目标如下所示:(1)让全球评估现有方法的综合分析/水弹性分析软件,(2)提供可靠和精确的基准模型的测试数据,可以被认为是一个标准的数据库进行验证和确认,(3)执行最近的比较研究数值方法/软件通过比较测量大型水弹性模型试验,(4)为建立标准程序/指南提供关键信息的数值预测水弹性响应包括起拱和鞭打。
似针对的主要目标吉格,可靠和准确的大规模的基准模型测试数据(17)使用最新的数值方法进行比较研究和软件将提供。20000 TEU集装箱船的总长度约400米似被设计为的目标船吉格研究和系统模型试验进行了耐波性波CSSRC盆地。
似在这吉格,3 d水方法将应用于超大集装箱船,包括线性和非线性的方法。基于模型的基准测试的结果和数值比较,似这吉格的参与者将采用的方法详细分析。然后,将建议适当的方法和标准获得更为合理和准确的结果。
摘要集装箱船是追究水弹性分析的模态特征。众所周知,基于模态叠加,水弹性能轻易解决固耦合问题。所以,船模态信息详细展示了包括建筑和模态测试。集装箱船的质量分布和刚度分布模型解决自振频率在真空中。模型的制造精度和安装方法会影响频率。在模态测试中,提升钢丝绳和吊点的位置是非常重要的,它可以改变固有频率和模态形状。三维有限元数值模拟也是非常重要的船舶在连接模型。略微改变材料和弹性模量等力学参数将大大改变固有频率。
2。3 d水方法
1984年,吴Yousheng首创结合三维势流理论和三维结构动力学理论建立了三维水弹性理论。假设船在海浪略有移动和变形,根据模态叠加原理,船体结构的运动和变形相对于其平衡位置可以表示为 在哪里 代表了位移的主要协调组件相对于干船体模式。
我们假设浮体周围的流体是理想的统一和不可压缩无粘性的流体,流场没有旋转,和自由表面波是一个小振幅波。结构动力学相结合,一个普遍的3 d线性频域水浮体运动方程(1)可以获得如下:
的公式, , ,和是全面质量矩阵、广义阻尼矩阵,广义刚度矩阵的结构,分别。对应于前面提到的矩阵,广义流体附加质量矩阵,广义流体附加阻尼矩阵,矩阵和广义流体恢复力 , ,和 。此外, , ,和是普遍表面力、全面集中力和普遍体积力数组,分别;普遍主要坐标数组。
3所示。船的模型
3.1。规模和主要事项
集装箱船的实验模型是由钢两缸骨干。它分为14段连接的灵活的骨干(图2)。分段在圣船模型2,圣,圣5 + 50 mm,圣,圣,圣8.5,圣10 + 70毫米,圣11日圣12日圣13 + 50毫米,和圣圣16日圣14日18。相邻段设计为20毫米之间的差距,以防止可能的测试期间的联系的两个部分。为了避免洪水,薄橡胶条安装密封与一些备用的空间差距,消除可能的荷载传递。
考虑波的波的能力一代盆地,缩放比例为1:49 (μ= 49)选择,使船模型可用的移动速度,空间和重量的利润调整必要的仪器和配件的重量分布。图3显示了船体抵消线路。表1给出了主要事项有两个船模型的加载条件。
3.2。船的质量分布模型
表2给出了估计每个段船舶模型的质量,这是计算从船上质量统计数据。船的重量分布模型也显示在图4。蓝色酒吧展示质量在满载情况下,和红酒吧设计稿的质量现状。
3.3。使用骨架刚度相似
相似截面刚度是重要的一步扩展全船的模型。一旦刚度满足相似准则,固有频率将遇到一个类似的关系,及其模态形状将符合全面船。根据相似原理,一个蓝色的骨干(图5)旨在模拟集装箱船在海浪的弯曲。以满足刚度相似的船在垂直弯曲,一种钢选择构建骨干。钢杨氏模量是206 Gpa。泊松比是0.3。然而,刚度沿船长度不是均匀的。一般来说,垂直弯曲惯性矩的在船中部大于值从船头到船尾。因此,灵活的骨干设计六个变量截面加入。表2给出了设计骨干的属性如惯性矩的垂直弯曲从船尾站19。
3.4。施工和安装的骨干
图6给出了示意图安装的骨干内置船模型,这是精心设计的。动力荷载转移到所有的骨干,行动上段。然而,段的刚度没有影响明显主干的灵活性。可以看出,骨干梁连接到船体横向支持,是绿色的,如图5。
4所示。确定模态性质
4.1。测量方法和仪器
有必要获得模态参数,包括固有频率、模态形状,和船模型的阻尼比,因为他们是水的必不可少的输入数据分析。因此,干和湿模式,包括船舶垂直弯曲模型、测量和分析振动CSSRC实验室。进行模态测试前,船模型的重力和惯性的中心应当调整占满载和设计草案加载条件下,分别。
由一个锤击测试模态参数,用软锤击中船模型和记录的垂直振动及其衰减曲线。粗纱锤安装使用pcb - 086 c04激励测量仪器的锤。352 PCB c33加速度计是用来测量骨干船舶的动态响应模型。图7给出了加速度计的安装布局,包括30分对垂直加速度测量。获得的测量数据和加工利用b和k 3660 d,动态数据采集和处理系统。相关的频率响应函数和模态参数可以派生的测量。
测量垂直模态形状,悬浮在空中的船模型弹性绳索。图8显示了不同的暂停模式在绳子测量纵向模态形状。在垂直弯曲模态测量,绳子绕船体的模型。
应该注意的是,质量弹簧系统的自然频率在刚体运动应该远低于船模型的弹性形变共振模式。此外,弹性绳应挂在振动模态的位置节点支持模态结果的影响降到最低。在模态测量之前,两种弹簧刚度曾比较,25537 N / m和17448 N / m。发现钢丝绳刚度的影响是可以忽略不计的测量结果在模态固有频率,如果模型是暂停节点。
在空气中纵向模态测量,悬挂位置调整迭代,直到他们相关的振动模态节点来自以前的测量分析。
4.2。模态结果
自然频率、阻尼比和模态形状模型的测量结果进行了分析。得到共振频率,我们绘制rao每个计量点的加速度。饶是定义为响应振幅比的振幅激动人心的力量。这些曲线的峰值表示模型的模态共振。
图9显示了干燥和潮湿的垂直加速度rao在不同测量位置的垂直弯曲(VB)激发下的船模满载条件和设计通风条件。
(一)
(b)
(c)
(d)
数据9(一个)和9 (b)满载的固有频率和设计草案装载条件分别在空气中。数据9 (c)和9 (d)满载的共振频率和设计草案装载条件在水里。
在图9,我们可以看到船模型的固有频率可以调查清楚。虽然两节点加速度信号是三十,VB和三节点的峰值几乎发生在同一频率,分别。值得指出的是,前有小峰频率根据两节点VB。这是固有频率由于悬架系统的弹性绳。因此,挂绳的刚度选择应该避免船舶模型的固有频率。相比之下,共振频率在水中测试结果表明,该峰值不一样锋利的固有频率峰值在空中,显示更广泛分布的峰值。该两节点VB和节点VB山峰是明显的。
表3给出了固有频率和阻尼比的垂直弯曲模式船的测量分析。
从表3我们可以发现潮湿的频率低于干频率在同一模态形状。这是因为水的附加质量的影响。质量越大,频率越低。同样,在满载2-node频率低于设计草案加载,3-node频率相同。此外,每个订单对应的阻尼系数频率是根据半功率获得方法。众所周知,阻尼系数起着关键作用的峰值,随后水湿模式。
此外,固有频率是船的固有属性模型在空气和水。模态测试的不确定性主要来自于测量仪器的准确性,船的详细模型,环境因素的变化。以来共有30个加速度传感器测量骨干排列,通过三个重复性测试,这些数据分析得到标准偏差和测量的不确定性。
5。干和湿频率预测模式
5.1。干模态有限元计算
5.1.1。总体介绍
由于缺少每个截面的惯性矩,简化梁模型是不准确的三维有限元模拟船舶的惯性矩。三维数值模型模拟是模拟的有限元分析软件MSC.Patran。由于模态计算的准确性,两个脊椎模拟固体元素。获得惯性矩、质量和仪器箱是由固体元素。梁、肋和支持是建立在钢铁板块元素有不同的厚度。船体也板的构造元素,这是由玻璃纤维制成的。FEM的货柜船满载情况如图10。一些组织的大规模立方位于船的模型。整个有限元有495387个节点和315117个元素在满载情况下,494318个节点和314447个元素在设计草案。
5.2。连接模拟
骨干的元素由横向支撑固定,这是连接到壳从左舷右舷如图11。
5.3。固有频率的预测
基于潜在的理论,采用3 d水方法。水弹性理论的关键是流固耦合;即力是通过干湿匹配传播干燥湿表面网格和元素之间的关系。一组3742年水动力模拟板计算水动力系数,如附加质量、阻尼系数和退出的力量。使用干湿元素匹配,结构网格上的流体压力加载,而弹性变形对湿板。干、湿船模型的固有频率是前面提到的有限元预测。计算结果与测量结果的比较如表所示4和5满载和设计草案加载条件。可以看出,所有的模式很好的协议实现对干燥和潮湿的频率。
5.4。模态形状预测
垂直弯曲模态形状预测结果下图所示。模态形状来源于给出模态测量进行比较。数据12- - - - - -13显示比较结果2-node和3-node垂直弯曲形状的完整的荷载条件,而数据14- - - - - -15给的比较结果2-node和3-node垂直弯曲形状的设计草案加载条件。一般来说,已经达到一个相当不错的协议。
(一)
(b)
(一)
(b)
(一)
(b)
(一)
(b)
6。结论
似CSSRC - 20000 TEU吉格,20000 TEU集装箱船的总长度大约400被设计为目标船,将用来进行模型试验的新耐波性波盆地CSSRC并生成基准模型试验数据比较研究使用最新的数值方法和软件。摘要1:49规模船模型简要介绍,结合模态参数的确定,包括固有频率、模态形状,和船模型的阻尼比,因为他们是不可或缺的水弹性分析的输入数据。
通过模态计算和测试结果的比较分析,集装箱船的质量分布和刚度分布模型是获得的基础固有频率和模态形状。在有限元数值模拟,只有通过模拟实际的节段质量船模型和测量骨干的刚度、固有频率的精确结果将获得。此外,船舶的所有连接模型的模拟结果也会改变。然而,也有一些不确定因素在模型船的制造和安装。此外,悬挂钢丝绳的刚度和悬挂点的位置在模态测试也影响结果的因素。通过检查和消除所有的不确定因素,数值模态计算的干、湿模式可以与模态试验的结果一致。集装箱船模型的固有频率和模态观测必须确保水弹性分析的准确性。
船的3 d有限元法是建立在真空中进行模态分析。数值预测的比较和锤击测试结果,可以得出结论,一般好的协议实现,特别是对于低阶位移模式。相对应的有限元全负荷和设计草案装载条件似将分布式吉格成员进一步比较研究线性和非线性水弹性分析。
本文致力于完整的模态测试博览会大型集装箱船的水弹性分析的必要条件。因此,可以看到水影响的弹性振动频率和模式集装箱船模型。集装箱船的湿模式是通过水动力分析模型。通过与试验结果比较,共振频率的位置和形状,使船舶水弹性可以更清楚地观察到。
数据可用性
使用的数据来支持本研究的结果都包含在这篇文章。基本的数据可以发现jip.cssrc.com。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突。
确认
本研究工作是在中国国家自然科学基金的支持下,中国(51809241)、CSSRC-20,似000 teu吉格,高科技研究项目由工信部。