1、第三章第三章 計算載荷的確定計算載荷的確定、概述、概述、載荷響應(yīng)計算、載荷響應(yīng)計算、確定載荷的概率水平法、確定載荷的概率水平法 3.1 3.1 概述概述 1 1）設(shè)計載荷的重要性）設(shè)計載荷的重要性 2 2）載荷的內(nèi)容）載荷的內(nèi)容 a a、靜水載荷：靜水彎矩、剪力、靜水壓力、靜水載荷：靜水彎矩、剪力、靜水壓力 b b、波浪載荷：波浪彎矩：垂向、水平；、波浪載荷：波浪彎矩：垂向、水平； 波浪剪力：水平、垂向、扭矩；波浪剪力：水平、垂向、扭矩； 動水壓力。動水壓力。 c c、貨載、貨載 d d、慣性載荷、慣性載荷: :貨物、自重貨物、自重 ( (運動加速度引起）運動加速度引起） e e、特殊載荷：砰

2、擊、沖擊、冰壓等。、特殊載荷：砰擊、沖擊、冰壓等。 要求：完備的計算載荷，規(guī)范上規(guī)定的載荷項目都應(yīng)有體現(xiàn)，給要求：完備的計算載荷，規(guī)范上規(guī)定的載荷項目都應(yīng)有體現(xiàn)，給出計算方法或解決方案。出計算方法或解決方案。3.2 3.2 載荷的響應(yīng)計算載荷的響應(yīng)計算 3.2.1 3.2.1 靜水載荷靜水載荷 由船的基本數(shù)據(jù)（型線、裝載工況、重量分布）按常由船的基本數(shù)據(jù)（型線、裝載工況、重量分布）按常規(guī)方法（靜力平衡）計算。規(guī)方法（靜力平衡）計算。 有關(guān)內(nèi)容見有關(guān)內(nèi)容見船體強度船體強度教材。教材。 計算手段：列表計算計算手段：列表計算 計算機程序（提高效率）計算機程序（提高效率） 3.2.2 3.2.2 波浪

3、載荷波浪載荷 由理論方法（軟件）計算，或由模型試驗得到。由理論方法（軟件）計算，或由模型試驗得到。1. 1. 方法方法 具體見具體見波浪載荷波浪載荷或或船體概率強度船體概率強度課程等教材或文課程等教材或文獻獻。 切片法（二維方法）切片法（二維方法） 三維方法三維方法理論理論 線性方法線性方法 非線性方法非線性方法 水池模型實驗測試水池模型實驗測試試驗試驗 大尺度模型實際海浪測試大尺度模型實際海浪測試 實船測試實船測試剛剛 體體 水彈性方法水彈性方法 2. 2. 規(guī)則波中的載荷響應(yīng)規(guī)則波中的載荷響應(yīng) 1) 1) 線性理論、頻域內(nèi)求解線性理論、頻域內(nèi)求解：波浪頻率波浪頻率e 航速 （遭遇頻率（遭遇

4、頻率） 各載荷分量：幅值各載荷分量：幅值 a a 相位相位（相對于波浪（相對于波浪）0aVaM VVaSVTaM TH aM HH aSHapG aZGaG ayGaaG axGMSMM S ) (P, )(z , ) ( , ) (y , ) , ,(x ,（ ， ）（ ， ）（ ， ）（， ）（ ，（） （）垂向彎矩垂向彎矩垂向剪力垂向剪力扭矩扭矩水平彎矩水平彎矩水平剪力水平剪力壓力壓力（六自由度）運動（六自由度）運動各各載荷分量載荷分量 縱搖運動曲線縱搖運動曲線 (迎浪迎浪)垂向彎矩垂向彎矩My曲線曲線 （迎浪）（迎浪）垂向彎矩垂向彎矩My曲線曲線 （艏斜浪（艏斜浪3030o o）時歷表

5、達式：時歷表達式： ( )cos()VVaeMVMtMt()VM tt垂向彎矩垂向彎矩其它載荷分量的時歷，情況類似。其它載荷分量的時歷，情況類似。2) 2) 非線性理論，時域或時歷解非線性理論，時域或時歷解( )vM tt特點：非簡諧并有高頻成份特點：非簡諧并有高頻成份 3. 3. 不規(guī)則波中的載荷不規(guī)則波中的載荷 1) 1) 按線性理論：譜分析法（應(yīng)用疊加原理）按線性理論：譜分析法（應(yīng)用疊加原理） 2) 2) 非線性理論：時域模擬非線性理論：時域模擬 ( )VMtt譜分析法簡述：（可參考譜分析法簡述：（可參考船舶概率強度船舶概率強度）理論基礎(chǔ)：理論基礎(chǔ)：“隨機過程理論隨機過程理論”中的中的“

6、線性系統(tǒng)變換線性系統(tǒng)變換”， 參考參考隨機過程隨機過程中中“平穩(wěn)正態(tài)隨機過程平穩(wěn)正態(tài)隨機過程”。波浪波浪( ) t響應(yīng)響應(yīng)R(t)(運動，彎矩，剪力等）運動，彎矩，剪力等）輸入：海浪波面坐標(biāo)輸入：海浪波面坐標(biāo) t是平穩(wěn)正態(tài)隨機過程。是平穩(wěn)正態(tài)隨機過程。線性系統(tǒng)的輸出線性系統(tǒng)的輸出 也是平穩(wěn)正態(tài)隨機過程。也是平穩(wěn)正態(tài)隨機過程。 ( )R t各頻率子波的能量大小的分布各頻率子波的能量大小的分布輸入譜和輸出譜之間的關(guān)系：輸入譜和輸出譜之間的關(guān)系：2R()S= H( ) S ( ) ( )H ：傳遞函數(shù)或頻率響應(yīng)函數(shù)：傳遞函數(shù)或頻率響應(yīng)函數(shù)2( )H ：響應(yīng)幅值算子（：響應(yīng)幅值算子（RAO） aaR

7、()H() ()=響響應(yīng)應(yīng)幅幅值值波波浪浪幅幅值值含義含義 ： （可理解為對應(yīng)單位波可理解為對應(yīng)單位波幅規(guī)則波的響應(yīng)幅規(guī)則波的響應(yīng) ）( )S( )RS海浪譜海浪譜計算手段（過程）：利用相關(guān)的計算軟件（程序）計算手段（過程）：利用相關(guān)的計算軟件（程序）: 切片法、三維方法或其他，切片法、三維方法或其他， 或通過試驗測試。或通過試驗測試。對各頻率波浪得到各載荷分量的響應(yīng)。對各頻率波浪得到各載荷分量的響應(yīng)。 響應(yīng)譜的統(tǒng)計特性響應(yīng)譜的統(tǒng)計特性:200220( )( )RxRmSdmSd 1/3HsHzT2454421 2( )()exp()4szzHSTT3.3 確定計算載荷的概率水平法確定計算載荷

8、的概率水平法3.3.1 載荷的短期分布載荷的短期分布 1. 海況和海浪譜海況和海浪譜 海浪海浪 不規(guī)則波：不規(guī)則波： 有義波高有義波高或或特征周期（特征周期（ ，平均跨零周期），平均跨零周期）常用常用ISSC推薦的雙參數(shù)譜推薦的雙參數(shù)譜如果有航速如果有航速V，則要用遭遇頻率，則要用遭遇頻率e(1cos)eVg 航向角航向角 V 航速航速能量不變或能量相等能量不變或能量相等( )()eeSdSd則則 ( )()21coseSSVg( )S()eSee,szH T,V短期：短期：一定一定 航行時間：半小時到幾個小時。航行時間：半小時到幾個小時。 szHTV()eS V()eHeee2R()S= H

9、() S ()由隨機過程理論：由隨機過程理論：響應(yīng)幅響應(yīng)幅x是隨機變量服從瑞利分布：是隨機變量服從瑞利分布：200( )exp()2xxf xmm可用于各載荷分量，其中可用于各載荷分量，其中0m為響應(yīng)譜的零階矩。為響應(yīng)譜的零階矩。不規(guī)則波中，載荷響應(yīng)不規(guī)則波中，載荷響應(yīng)R（t）是平穩(wěn)正態(tài)隨機過程。）是平穩(wěn)正態(tài)隨機過程。3.3.2 長期分布長期分布 在整個壽命內(nèi)會遭遇到不同的海況，航速和航向角，波浪載在整個壽命內(nèi)會遭遇到不同的海況，航速和航向角，波浪載荷的長期分布是各個短期分布的加權(quán)組合。荷的長期分布是各個短期分布的加權(quán)組合。( )(,)( )( )()( )iszjklijklg xp H T

10、PP VP Df x,ijklP P P P 分別是：海況分別是：海況 (,)szH T、航向角、航向角 航速航速V，裝載，裝載D出現(xiàn)的概率。出現(xiàn)的概率。 ( )g x總載荷循環(huán)次數(shù)總載荷循環(huán)次數(shù)810LN （對應(yīng)（對應(yīng)25年的壽命期年的壽命期:CSR，以前為，以前為20年）年）超越概率超越概率1()LLP RRN 含義：在全部含義：在全部NL次載荷循環(huán)中次載荷循環(huán)中(每個循環(huán)對應(yīng)一個幅值每個循環(huán)對應(yīng)一個幅值)，或，或NL個個載荷幅值中，大于載荷幅值中，大于RL的載荷幅值僅可能出現(xiàn)一次。的載荷幅值僅可能出現(xiàn)一次。 類比類比X年一遇水位的說法，可以說年一遇水位的說法，可以說NL次循環(huán)一遇（次循環(huán)

11、一遇（NL代表時代表時間）。間）。 一般將一般將RL作為設(shè)計計算載作為設(shè)計計算載荷，通過這個過程確定的設(shè)計載荷，通過這個過程確定的設(shè)計載荷叫概率水平法。荷叫概率水平法。 在規(guī)范中的應(yīng)用：對一批船進行計算分析，然后對結(jié)在規(guī)范中的應(yīng)用：對一批船進行計算分析，然后對結(jié)果進行回歸，得到回歸公式，如垂向彎矩設(shè)計值。果進行回歸，得到回歸公式，如垂向彎矩設(shè)計值。232319010110(0.7) 10whbwsbMMC LBCN mMMC LB CN m 3.3.3 3.3.3 海況資料的討論海況資料的討論(,)iszP H T-海況出現(xiàn)的概率海況出現(xiàn)的概率1. 1. 北大西洋海況分布表（北大西洋海況分布表

12、（IACS No.34)IACS No.34)、全球海況分布表全球海況分布表 按按GBSGBS要求，要求，CSRCSR規(guī)范采用北大西洋海況分布表。規(guī)范采用北大西洋海況分布表。 T TZ Z H HS S.1.51.52.52.5.2. 我國沿海，西北太平洋海況（分區(qū)域）我國沿海，西北太平洋海況（分區(qū)域） 特別特別:臺灣海峽海況（海浪譜）臺灣海峽海況（海浪譜）/zTs/sHm 中國沿海S3區(qū)塊海浪長期分布資料3.5456789total7.50000001016.00000132065.000017830194.00007191230413.250528351641892.50119584516301421.85450885014302091.2595972338101830.85156461245101700.50195642143101340.1012100004total