基于SESAM的船體波浪載荷與結構強度直接計算方法研究

馬英華，朱雨生，曹俊偉

（1．海裝沈陽局駐大連地區某軍事代表室，遼寧 大連 116000；2．中國船舶重工集團公司第七二五研究所，河南 洛陽 471000；3．中國艦船研究設計中心，湖北 武漢 430064）

隨著海上作業方式的多樣化，特種船的綜合使命功能多樣。不同的作業功能所遭受的波浪載荷差異較大。而不同的波浪載荷作用下船體結構強度有所不同。船體結構強度評估對船舶安全至關重要，然而現有規范主要針對常規船型，對于主尺度比超出規范規定的適用范圍，在強度計算時，不能再使用規范波浪載荷，需要尋找適用的波浪載荷和結構強度計算方法。

關于船體結構強度計算方法研究的學者較多。其中，許璠璠等人對典型工況下起重船艙段和起重基座的有限元模型進行了強度分析，提出了一些關于起重船結構設計方面的合理建議。王國學等人對SL151 起重船總縱強度進行了計算，給出了新舊船體結合附近結構優化方案。安改寧基于等效設計波法對大型起重船進行有限元分析，提出了全船直接計算方法。趙尚輝等人以整船有限元計算結果為邊界，對救生船中央月池開口部位的應力集中問題進行分析，與光彈性試驗結果進行比較，結果較為吻合。邳帥運用MOSES 軟件建立起重船有限元模型，結合三維勢流理論，研究了起重船對南海海況的適用性問題。馬亮等人結合CCS 相關規范對起重船上旋轉吊機對其強度和屈曲進行了校核。

從上述學者中的研究中可以發現，目前針對某特種船結構強度計算時，波浪載荷主要采用規范中經驗公式，對超規范設計船舶的波浪載荷研究較少。對于超規范設計的工作船，其波浪載荷需要采用水動力軟件開展波浪載荷直接計算，之后才能開展船體結構強度校核。本文基于三維線性勢流理論，采用DNV 的SESAM 軟件建立水動力模型，運用等效設計波方法對工作船船體結構強度進行了有限元分析，并結合CCS 規范對船體結構強度進行了校核。

1 主尺度

某船的主船體為單甲板、雙底的縱骨架式結構，主尺度見表1。

表1 船舶主尺度（單位：m）

主尺度比值：L/B=2.481<5，B/D=5.975>2.5，超出規范主尺度要求，波浪載荷和船體強度均應采用直接計算。

2 波浪載荷直接計算

2.1 水動力模型

本文所使用的波浪載直接計算方法基于三維線性勢流理論，采用DNV 的SESAM 軟件。波浪譜為P-M雙參數譜，波浪資料采用IACS 推薦波浪長期統計資料，波浪載荷設計計算值取為10-8 概率水平（代表設計壽命為20年）。坐標系統采用右手坐標系，原點位于Fr0船底中線處，在X 軸向船首為正方向，Y 軸向左舷為正方向，Z 軸向上為正方向，Panel 模型見圖1。

圖1 Panel 模型

2.2 波浪浪向和頻率

計算共選取了13 個浪向角：0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°、105°、120°、135°、150°、165°、180°，每隔30°一個浪向角。以0.1作為頻率的間隔，范圍從0.1 到3.0，共30 個頻率。同時在長期預報的過程中，認為這13 個浪向角作用在船體上的概率上相等的，即每個浪向角的概率為1/13=0.0769。選取距離尾垂線1/4L、1/2L、3/4L 處的三個剖面計算起波浪直接載荷，橫剖面的設置如圖2。

圖2 橫剖面分布圖

2.3 運動響應結果

根據《鋼質海船入級規范》（2021年版）對某新型工作船的總縱強度校核的規定，計算工況包括調遷和起重工況，工況1：滿載甲板貨出港，工況2：壓載到港，工況3：98%燃料及備品作業68°（500t），工況4：98%燃料及備品作業68°（500t，吊機朝艉）。船體外殼上的水動力以及各種在單位規則波作用下的剪力、彎矩、扭矩等都是船體運動和載荷的傳遞函數。選取橫截面2 進行船舯垂直彎矩傳遞函數的分析，如圖3所示。計算出主要載荷控制參數的傳遞函數之后，將傳遞函數與實際的波浪環境參數相結合即為船體主要載荷參數的長期預報值。對典型裝載工況下控制波的波幅、波長、浪向等參數進行計算，得到設計波參數如表2所示。設計波方程如下：

圖3 橫截面2 垂直彎矩傳遞函數

表2 設計波參數

3 有限元強度分析

3.1 計算模型

依據《鋼質海船入級規范》（2021年版）第1章第5 節“結構強度直接計算”的有關規定，運用PATRAN 對整船進行有限元建模，包括強力甲板及以下整個船長、船寬范圍內的船體結構。有限元模型如圖4所示。船體結構采用Q235 和AH36 兩種鋼材，具體材料布置見表3。

圖4 有限元模型圖

表3 材料布置及參數

3.2 計算載荷

計算載荷包括舷外水壓力、結構自重和壓載以及起重載荷。

（1）舷外水壓力。根據波浪載荷直接計算結果將舷外水壓力載荷按壓力分布施加到表面各單元上，標準計算波的波形取為余弦波，解析場坐標系原點設置在船舶重心位置，通過對坐標系進行旋轉實現對浪向的模擬。

（2）結構自重和壓載。船體重量以節點力的形式施加，依據“船體重量重心計算書”調整重量重心，壓載水重量根據實際重量施加對應的艙室。

（3）起重載荷。在基座構件模型的最頂端端面的幾何形心處創建MPC 點，將起重機的載荷施加在MPC點。

3.3 邊界條件

對整體模型施加約束：首端點施加線位移約束：u=u=u=0，尾部端點施加u=u=0，u=0。

4 強度校核

4.1 許用值

表4 船體各構件許用應力

4.2 強度校核

圖5是各工況下有限元模型von Mises 應力云圖，各工況下總縱強度應力校核如表5所示。經校核，最危險工況為98%燃料及備品作業68°（500t，吊機朝艉）工況，主甲板最大彎曲正應力230MPa，最大von Mises應力294MPa，最大剪切應力155MPa，均小于其許用應力，其總縱強度滿足規范要求。

圖5 各工況下von Mises 應力云圖

表5 各工況下應力校核結果

5 結論

本文以某船為研究對象，由于本船尺度比不滿足規范要求，本文基于三維線性勢流理論運用SWSAM 軟件建立水動力模型，使用直接計算方法計算波浪載荷，運用等效設計波方法對主船體結構總縱強度進行了有限元分析，并結合規范中相關規定對船體主要構件，尤其是起重機基座位置進行了校核。相對于規范規定的艙段有限元計算，超規范設計船舶需要建立全船模型，建模工作量增大許多，但可以更真實的反應船舶整體結構和局部基座位置結構的應力水平對于更準確與合理地評估船體結構的強度具有一定的指導和借鑒意義。