基于SESAM的船体波浪载荷与结构强度直接计算方法研究

马英华，朱雨生，曹俊伟

（1．海装沈阳局驻大连地区某军事代表室，辽宁 大连 116000；2．中国船舶重工集团公司第七二五研究所，河南 洛阳 471000；3．中国舰船研究设计中心，湖北 武汉 430064）

随着海上作业方式的多样化，特种船的综合使命功能多样。不同的作业功能所遭受的波浪载荷差异较大。而不同的波浪载荷作用下船体结构强度有所不同。船体结构强度评估对船舶安全至关重要，然而现有规范主要针对常规船型，对于主尺度比超出规范规定的适用范围，在强度计算时，不能再使用规范波浪载荷，需要寻找适用的波浪载荷和结构强度计算方法。

关于船体结构强度计算方法研究的学者较多。其中，许璠璠等人对典型工况下起重船舱段和起重基座的有限元模型进行了强度分析，提出了一些关于起重船结构设计方面的合理建议。王国学等人对SL151 起重船总纵强度进行了计算，给出了新旧船体结合附近结构优化方案。安改宁基于等效设计波法对大型起重船进行有限元分析，提出了全船直接计算方法。赵尚辉等人以整船有限元计算结果为边界，对救生船中央月池开口部位的应力集中问题进行分析，与光弹性试验结果进行比较，结果较为吻合。邳帅运用MOSES 软件建立起重船有限元模型，结合三维势流理论，研究了起重船对南海海况的适用性问题。马亮等人结合CCS 相关规范对起重船上旋转吊机对其强度和屈曲进行了校核。

从上述学者中的研究中可以发现，目前针对某特种船结构强度计算时，波浪载荷主要采用规范中经验公式，对超规范设计船舶的波浪载荷研究较少。对于超规范设计的工作船，其波浪载荷需要采用水动力软件开展波浪载荷直接计算，之后才能开展船体结构强度校核。本文基于三维线性势流理论，采用DNV 的SESAM 软件建立水动力模型，运用等效设计波方法对工作船船体结构强度进行了有限元分析，并结合CCS 规范对船体结构强度进行了校核。

1 主尺度

某船的主船体为单甲板、双底的纵骨架式结构，主尺度见表1。

表1 船舶主尺度（单位：m）

主尺度比值：L/B=2.481<5，B/D=5.975>2.5，超出规范主尺度要求，波浪载荷和船体强度均应采用直接计算。

2 波浪载荷直接计算

2.1 水动力模型

本文所使用的波浪载直接计算方法基于三维线性势流理论，采用DNV 的SESAM 软件。波浪谱为P-M双参数谱，波浪资料采用IACS 推荐波浪长期统计资料，波浪载荷设计计算值取为10-8 概率水平（代表设计寿命为20年）。坐标系统采用右手坐标系，原点位于Fr0船底中线处，在X 轴向船首为正方向，Y 轴向左舷为正方向，Z 轴向上为正方向，Panel 模型见图1。

图1 Panel 模型

2.2 波浪浪向和频率

计算共选取了13 个浪向角：0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°、105°、120°、135°、150°、165°、180°，每隔30°一个浪向角。以0.1作为频率的间隔，范围从0.1 到3.0，共30 个频率。同时在长期预报的过程中，认为这13 个浪向角作用在船体上的概率上相等的，即每个浪向角的概率为1/13=0.0769。选取距离尾垂线1/4L、1/2L、3/4L 处的三个剖面计算起波浪直接载荷，横剖面的设置如图2。

图2 横剖面分布图

2.3 运动响应结果

根据《钢质海船入级规范》（2021年版）对某新型工作船的总纵强度校核的规定，计算工况包括调迁和起重工况，工况1：满载甲板货出港，工况2：压载到港，工况3：98%燃料及备品作业68°（500t），工况4：98%燃料及备品作业68°（500t，吊机朝艉）。船体外壳上的水动力以及各种在单位规则波作用下的剪力、弯矩、扭矩等都是船体运动和载荷的传递函数。选取横截面2 进行船舯垂直弯矩传递函数的分析，如图3所示。计算出主要载荷控制参数的传递函数之后，将传递函数与实际的波浪环境参数相结合即为船体主要载荷参数的长期预报值。对典型装载工况下控制波的波幅、波长、浪向等参数进行计算，得到设计波参数如表2所示。设计波方程如下：

图3 横截面2 垂直弯矩传递函数

表2 设计波参数

3 有限元强度分析

3.1 计算模型

依据《钢质海船入级规范》（2021年版）第1章第5 节“结构强度直接计算”的有关规定，运用PATRAN 对整船进行有限元建模，包括强力甲板及以下整个船长、船宽范围内的船体结构。有限元模型如图4所示。船体结构采用Q235 和AH36 两种钢材，具体材料布置见表3。

图4 有限元模型图

表3 材料布置及参数

3.2 计算载荷

计算载荷包括舷外水压力、结构自重和压载以及起重载荷。

（1）舷外水压力。根据波浪载荷直接计算结果将舷外水压力载荷按压力分布施加到表面各单元上，标准计算波的波形取为余弦波，解析场坐标系原点设置在船舶重心位置，通过对坐标系进行旋转实现对浪向的模拟。

（2）结构自重和压载。船体重量以节点力的形式施加，依据“船体重量重心计算书”调整重量重心，压载水重量根据实际重量施加对应的舱室。

（3）起重载荷。在基座构件模型的最顶端端面的几何形心处创建MPC 点，将起重机的载荷施加在MPC点。

3.3 边界条件

对整体模型施加约束：首端点施加线位移约束：u=u=u=0，尾部端点施加u=u=0，u=0。

4 强度校核

4.1 许用值

表4 船体各构件许用应力

4.2 强度校核

图5是各工况下有限元模型von Mises 应力云图，各工况下总纵强度应力校核如表5所示。经校核，最危险工况为98%燃料及备品作业68°（500t，吊机朝艉）工况，主甲板最大弯曲正应力230MPa，最大von Mises应力294MPa，最大剪切应力155MPa，均小于其许用应力，其总纵强度满足规范要求。

图5 各工况下von Mises 应力云图

表5 各工况下应力校核结果

5 结论

本文以某船为研究对象，由于本船尺度比不满足规范要求，本文基于三维线性势流理论运用SWSAM 软件建立水动力模型，使用直接计算方法计算波浪载荷，运用等效设计波方法对主船体结构总纵强度进行了有限元分析，并结合规范中相关规定对船体主要构件，尤其是起重机基座位置进行了校核。相对于规范规定的舱段有限元计算，超规范设计船舶需要建立全船模型，建模工作量增大许多，但可以更真实的反应船舶整体结构和局部基座位置结构的应力水平对于更准确与合理地评估船体结构的强度具有一定的指导和借鉴意义。