CN113221245B - 一种船体优化结构应力响应函数曲线的快速计算方法 - Google Patents

一种船体优化结构应力响应函数曲线的快速计算方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于船体结构的疲劳强度评估和优化设计技术领域，具体涉及一种船体优化结构应力响应函数曲线的快速计算方法。本发明对计算频率进行了筛选，得到船体结构在该计算浪向的主要研究频率；根据确定的主要研究频率，完成船体结构优化方案的结构分析工作，获得该船体结构优化方案与这些主要研究频率对应的结构应力响应，进而实现对船体结构优化方案对应的船体结构的应力响应函数曲线的快速计算。本发明提高了计算效率，误差可控制，计算结果的准确性高，在保证评估结果准确性的同时，实现了对船体结构疲劳强度评估过程进行简化的目的。

Description

一种船体优化结构应力响应函数曲线的快速计算方法
技术领域
本发明属于船体结构的疲劳强度评估和优化设计技术领域，具体涉及一种船体优化结构应力响应函数曲线的快速计算方法。
背景技术
船体结构的应力响应函数曲线是基于谱分析方法开展船体结构疲劳强度评估中一项十分重要的内容；在获得了船体结构的应力响应函数曲线后，即可实现对船体结构疲劳强度的评估研究。在谱分析方法中，需要根据船舶的船型特点和结构特征选取其在载荷计算中的计算浪向和计算频率，然后，采用载荷计算软件获得用于船体结构疲劳强度评估的计算载荷；对于某计算浪向的计算载荷而言，其是由多个计算频率对应的计算载荷所组成的，将该计算浪向下的计算载荷依次施加到船体结构上，经过结构分析，可得到与该计算浪向各计算频率对应的结构热点应力；然后，将上述各结构热点应力绘制成以计算频率为横轴、以结构热点应力为纵轴的二维曲线，该曲线即为船体结构在该计算浪向的应力响应函数曲线，同样的方法，可获得船体结构在各个计算浪向的应力响应函数曲线。
然而，对于疲劳强度较为严重的船体结构而言，其结构型式一般是极为复杂的，在对其进行基于谱分析方法开展的船体结构优化设计中，需要进行多次反复的“获得结构优化设计方案->获得结构优化模型->进行结构分析”的优化过程，具体流程见图1，这显然是一项十分耗费时间和精力的工作。因此，考虑在保证评估结果准确性的同时，需要对船体结构疲劳强度的评估过程进行一定的简化。
发明内容
本发明的目的在于提供在保证评估结果准确性的同时，对基于谱分析方法的船体结构疲劳强度评估过程进行一定的简化，进而解决在船体结构优化过程中存在的十分耗费时间和精力的问题的一种船体优化结构应力响应函数曲线的快速计算方法。
本发明的目的通过如下技术方案来实现：包括以下步骤：
步骤1：获取船舶优化方案及船舶原设计方案，确定海况散布图、计算浪向、计算频率集合W1；根据船舶原设计方案的结构分析结果，得到船体结构在计算浪向、计算频率集合W1下的应力响应函数曲线σA(ω)，ω∈W1；
步骤2：取海况散布图中有义波高的最小值设定为Hs；将有义波高Hs和海况散布图中各平均跨零周期Tz组成多个短期海况，根据计算频率集合W1获取各短期海况的波浪谱曲线Gηη(ω)；
Figure BDA0003069304930000021
步骤3：取各短期海况的波浪谱曲线Gηη(ω)中峰值对应的频率ω，构建频率集合W2；
步骤4：根据船体结构的应力响应函数曲线σA(ω)和计算频率集合W1，获取船体结构的基准曲线Qk0(ω)；
Figure BDA0003069304930000022
其中，σA-max(ω0)为船体结构应力响应函数曲线σA(ω)中的最高峰值，ω0为该最高峰值对应的计算频率，ω0∈W1；
步骤5：取满足Qk0(ω)≥0.5的频率ω构建高应力区频率集合W3，其余频率ω组成低应力区频率集合W4；
步骤6：根据船体结构的基准曲线Qk0(ω)和各短期海况的波浪谱曲线Gηη(ω)，计算与各短期海况对应的曲线Qk0 2(ω)·Gηη(ω)；取各短期海况对应的曲线Qk0 2(ω)·Gηη(ω)的峰值对应的频率ω，构建频率集合W5；
步骤7结合频率集合W2、W3、W4、W5，构建主要研究频率集合W6；
步骤7.1：初始化
Figure BDA0003069304930000023
步骤7.2：将频率集合W5中所有频率加入到主要研究频率集合W6中；
步骤7.3：对于高应力区频率集合W3中的频率ω3，若ω3∈W2，则将频率ω3加入到主要研究频率集合W6中；
步骤7.4：获取频率集合W2中计算频率的最小值ω2min和最大值ω2max；对于经过步骤7.3筛选后的高应力区频率集合W3中频率ω3，若ω2min＜ω3＜ω2max，则将频率ω3加入到主要研究频率集合W6中；
步骤7.5：对于低应力区频率集合W4中的频率ω4，若ω4∈W2且Qk0(ω4)＞β，则将频率ω4加入到主要研究频率集合W6中；其中，β为设定的计算精度，0.1≤β≤0.4；
步骤8：根据船舶优化方案对应的船体优化结构；对船体优化结构在与船舶原设计方案相同的计算浪向下进行结构分析，获取各主要研究频率ω6下的结构应力响应σB(ω6)，获取在频率ω0下的结构应力响应σB(ω0)；计算各主要研究频率ω6下的结构应力响应σB(ω6)对应的基准值Qk(ω6)，ω6∈W6；
Figure BDA0003069304930000031
步骤9：由ΔQk(ω6)值判断各主要研究频率ω6对应的Qk(ω)值是否改变；若ΔQk(ω6)＝0，说明船体优化结构在计算浪向下的应力响应函数曲线的形状未发生改变；
ΔQk(ω6)＝Qk(ω6)-Qk0(ω6)
步骤10：计算船体优化结构在计算浪向下对应各计算频率ω的结构应力响应σB(ω)，进而得到船体优化结构在计算浪向下的应力响应函数曲线；
Figure BDA0003069304930000032
本发明的有益效果在于：
本发明提高了计算效率，若选取了s个船体结构的主要研究频率，且计算频率为l个，那么本发明最多需要用全频率谱分析方法计算时间的
Figure BDA0003069304930000033
便可完成船体结构的疲劳强度评估工作。本发明的误差可控制，计算结果的准确性高，在保证评估结果准确性的同时，本发明实现了对船体结构疲劳强度评估过程进行简化的目的，并在比较大的程度上解决了在采用谱分析方法对船体结构进行结构优化过程中存在的十分耗费时间和精力的问题。
附图说明
图1为基于谱分析方法的船体结构优化流程图。
图2为本发明的流程图。
图3为船体结构基准Qk0(ω)曲线的区域划分示意图。
图4为船体结构优化方案在主要研究频率下的结构应力响应计算流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步描述。
本发明涉及船体结构的疲劳强度评估和优化设计领域，船体结构应力响应函数曲线是基于谱分析方法开展船体结构疲劳强度评估中一项十分重要的内容；在获得了船体结构的应力响应函数曲线后，即可实现对船体结构疲劳强度的评估研究。然而，对于疲劳强度较为严重的船体结构而言，其结构型式一般是极为复杂的，在对其进行基于谱分析方法开展的船体结构优化设计中，需要进行多次反复的“获得结构优化设计方案->获得结构优化模型->进行结构分析”的优化过程，具体流程见图1，这显然是一项十分耗费时间和精力的工作；因此，考虑在保证评估结果准确性的同时，需要对船体结构疲劳强度的评估过程进行一定的简化。本发明从船体结构应力响应函数曲线入手，提出了一种船体优化结构应力响应函数曲线的快速计算方法，具体见图2；该方法可以在很大程度上对船体结构的优化计算过程进行简化，且能达到很好的误差控制，保证了船体结构疲劳强度评估计算结果的准确性。
本发明结合由波浪谱曲线峰值确定的频率集合、由船体结构某计算浪向的基准Qk0(ω)曲线确定的频率集合和由Qk0 2(ω)·Gηη(ω)曲线峰值确定的频率集合，再根据船体结构主要研究频率的确定方法对上述各频率集合中的计算频率进行筛选，得到船体结构在该计算浪向的主要研究频率；然后，根据确定的主要研究频率，对应地完成船体结构优化方案的结构分析工作，获得该船体结构优化方案与这些主要研究频率对应的结构应力响应，再对各结构应力响应进行一定的处理，即可实现对与该船体结构优化方案对应的船体结构应力响应函数曲线形状的快速识别和确定，进一步便可得到该船体结构优化方案在对应计算浪向的船体结构应力响应函数曲线。
本发明的原理如下：
1)由波浪谱曲线峰值确定的频率集合
波浪谱的计算见公式(1)，根据计划选定海况的海况散布图，取定有义波高Hs为海况散布图中其可取值的最小值，得到在该有义波高Hs下，其与各平均跨零周期Tz组成的(Hs,Tz)参数组合；然后，根据公式(1)获得与参数(Hs,Tz)对应的各短期海况的波浪谱；研究各波浪谱曲线，统计曲线峰值对应的计算频率，获得由波浪谱曲线峰值确定的频率集合。
Figure BDA0003069304930000041
2)船体结构基准Qk0(ω)曲线的获得及其区域划分方法
由船舶原设计方案的结构分析结果，确定船体结构在某计算浪向的应力响应函数曲线，采用公式(2)处理该曲线，即可获得船体结构与该计算浪向对应的基准Qk0(ω)曲线；事实上，该曲线的形状与船体结构应力响应函数曲线的形状是一致的。
Figure BDA0003069304930000051
式中，σA-max(ω0)、ω0分别为船体结构应力响应函数曲线最高峰值对应的结构热点应力值、计算频率，且ω0记为最危险频率；σA(ω)为船体结构应力响应函数曲线中与各计算频率ω对应的结构热点应力值。
研究与各计算频率对应的Qk0(ω)值，对该计算浪向的基准Qk0(ω)曲线进行区域划分，令其中Qk0(ω)≥0.5的部分为高应力区；将其余部分中的低频部分记为低频低应力区、高频部分记为高频低应力区，具体示意见图3；按照前述划分的区域，将与各Qk0(ω)值对应的计算频率分别计入高应力区频率集合、低频低应力区频率集合和高频低应力区频率集合中。
3)由Qk0 2(ω)·Gηη(ω)曲线确定的频率集合
根据原理1)中由参数(Hs,Tz)确定的各短期海况的波浪谱曲线Gηη(ω)、原理2)中船体结构在某计算浪向的基准Qk0(ω)曲线，获得与各短期海况对应的Qk0 2(ω)·Gηη(ω)曲线；研究各Qk0 2(ω)·Gηη(ω)曲线，统计与曲线峰值对应的计算频率，得到由Qk0 2(ω)·Gηη(ω)曲线峰值确定的频率集合。
4)船体结构主要研究频率的确定方法
结合由波浪谱曲线峰值确定的频率集合、由船体结构基准Qk0(ω)曲线确定的频率集合和由Qk0 2(ω)·Gηη(ω)曲线峰值确定的频率集合，船体结构在某计算浪向的主要研究频率可根据如下方法来确定：
a)在由Qk0 2(ω)·Gηη(ω)曲线峰值确定的频率集合中，各计算频率均应选为主要研究频率；
b)在根据船体结构基准Qk0(ω)曲线划分的高应力区中，若存在与Qk0(ω)值对应的计算频率同样在由波浪谱曲线峰值确定的频率集合中，则应将其选为主要研究频率；
c)在由船体结构基准Qk0(ω)曲线获得的高应力区频率集合中，对于经过条件b)筛选后剩余的计算频率，若其在由波浪谱曲线峰值确定的计算频率的最大值和最小值所组成的范围内，则应将其选为主要研究频率；
d)对于不在由船体结构基准Qk0(ω)曲线获得的高应力区频率集合中、但是包含在由波浪谱曲线峰值确定的频率集合中的计算频率，若与其对应的Qk0(ω)值满足Qk0(ω)＞k，则可将该计算频率选为主要研究频率；其中，规定k的取值范围为0.1≤k≤0.4，且k的具体取值可根据计算精度的要求来确定。
5)船体结构应力响应函数曲线形状的快速识别和确定方法
确定了船体结构在某计算浪向的主要研究频率后，可根据图4中的计算流程得到船体结构优化方案与这些主要研究频率对应的结构应力响应σA(ω)；利用公式(2)处理前述各结构应力响应σA(ω)，得到与各主要研究频率对应的Qk(ω)值；用前述Qk(ω)值更新与各主要研究频率对应的基准Qk0(ω)值，得到该船体结构优化方案在该计算浪向的Qk(ω)曲线。
根据公式(3)，可分析在该计算浪向下，该船体结构优化方案各主要研究频率对应的Qk(ω)值与其基准Qk0(ω)值之间的变化情况。
ΔQk(ω)＝Qk(ω)-Qk0(ω) (3)
由ΔQk(ω)值，可以判断与各主要研究频率对应的Qk(ω)值是否改变：若Qk(ω)值不改变，说明该船体结构优化方案在对应计算浪向下的应力响应函数曲线的形状未发生改变；若Qk(ω)值改变，则说明该船体结构优化方案在对应计算浪向下的应力响应函数曲线的形状发生了改变。
进一步地，根据公式(4)可计算得到该船体结构优化方案与各计算频率对应的结构热点应力值，进而可得到该船体结构优化方案在该计算浪向的船体结构应力响应函数曲线。
σA(ω)＝Qk(ω)·σ′A(ω0) (4)
式中，σ′A(ω0)为在船体结构基准Qk0(ω)曲线最高峰值对应计算频率ω0下，由船体结构优化方案结构分析得到的结构热点应力值。
本发明的具体方法如下：
1)根据船舶的船型特点和其结构特征，确定船舶的计算浪向和其计算频率。
2)结合选择海况的海况散布图，取定有义波高Hs为海况散布图中其可取值的最小值，由取定的有义波高Hs和各平均跨零周期Tz构成多个短期海况，研究与各短期海况的波浪谱曲线峰值对应的计算频率情况，并将其整合组成波浪谱曲线峰值对应的频率集合。
3)根据船舶原设计方案的结构分析结果，确定船体结构的应力响应函数曲线；采用公式(2)处理该船体结构的应力响应函数曲线，获得船体结构的基准Qk0(ω)曲线；对于某计算浪向，研究其各计算频率下的Qk0(ω)值，将与之对应的基准Qk0(ω)曲线进行区域划分，令其中Qk0(ω)≥0.5的部分为高应力区，将其余部分中的低频部分记为低频低应力区、高频部分记为高频低应力区；将各区域中Qk0(ω)值对应的计算频率分别计入高应力区频率集合、低频低应力区频率集合和高频低应力区频率集合中。
4)根据原理1)中由参数(Hs,Tz)确定的各短期海况的波浪谱曲线Gηη(ω)、原理2)中船体结构的基准Qk0(ω)曲线，获得与各短期海况对应的Qk0 2(ω)·Gηη(ω)曲线；研究各Qk0 2(ω)·Gηη(ω)曲线，统计与曲线峰值对应的计算频率，获得由Qk0 2(ω)·Gηη(ω)曲线峰值确定的频率集合。
5)结合由波浪谱曲线峰值确定的频率集合、由船体结构基准Qk0(ω)曲线确定的各频率集合和由Qk0 2(ω)·Gηη(ω)曲线峰值确定的频率集合，根据船体结构主要研究频率的确定方法，确定出船体结构在对应计算浪向的主要研究频率。
6)根据图4的计算流程，得到船体结构优化方案在对应计算浪向各主要研究频率的结构应力响应σA(ω)；利用公式(2)对前述各结构应力响应σA(ω)进行处理，得到与各主要研究频率对应的Qk(ω)值；用前述Qk(ω)值更新与各主要研究频率对应的基准Qk0(ω)值，得到该船体结构优化方案在对应计算浪向的Qk(ω)曲线。
7)根据公式(3)，由ΔQk(ω)值判断与各主要研究频率对应的Qk(ω)值是否改变；若Qk(ω)值不改变，说明该船体结构优化方案在对应计算浪向下的应力响应函数曲线的形状未发生改变。
8)根据公式(4)，由该船体结构优化方案的Qk(ω)曲线，可得到该船体结构优化方案的船体结构应力响应函数曲线。
6)对于海况散布图中某平均跨零周期Tz对应的各有义波高Hs而言，由参数组合(Hs,Tz)得到的、全部计算频率下的波浪谱曲线的形状基本不会发生改变，只存在数值大小的差异。
进一步限定：
对于低频频率和高频频率的确定存在一定的方法，具体为在船体结构应力响应函数曲线最高峰值对应频率左侧的计算频率记为低频频率，在其右侧的计算频率记为高频频率。
对于船体结构主要研究频率确定方法中的条件d)，其中k的取值存在一定的要求，对于需要高计算精度的情况，k应取较小值；而对于计算精度要求不是特别高的情况，k可取较大值，以进一步减少船体结构主要研究频率的个数。
对于由船体结构基准Qk0(ω)曲线确定的高应力区所包含的Qk(ω)值而言，若与之对应的|ΔQk(ω)|≤0.01，则可认为该Qk(ω)值与基准Qk0(ω)值之间的误差基本无影响；而对于高应力区以外的Qk(ω)值，若与之对应的|ΔQk(ω)|≤0.05，则可认为该Qk(ω)值与基准Qk0(ω)值之间的误差基本无影响。
本发明的特点如下：
本发明给出了一种船体结构应力响应函数曲线形状的快速识别和确定方法，该方法在保证评估结果准确性的同时，实现了对船体结构疲劳强度评估过程进行简化的目的；并在比较大的程度上，解决了在采用谱分析方法对船体结构进行结构优化过程中存在的十分耗费时间和精力的问题。其具体特点如下：
1)该方法可以极大地减少人员的工作量，提高计算效率。若选取了s个船体结构的主要研究频率，且计算频率为l个，那么该方法最多需要用全频率谱分析方法计算时间的
Figure BDA0003069304930000081
便可完成船体结构的疲劳强度评估工作。
2)该方法的误差可控制，计算结果的准确性高。经过大量数据的分析研究发现，采用该方法得到的船体结构浪向疲劳累积损伤度与采用全频率谱分析方法得到的结果之间的误差最大不超过2.6％。
3)该方法的实用性强。在该方法的实际使用中，人员可根据实际情况和要求，在船体结构对应计算浪向的主要研究频率选取上对该方法做进一步的简化或完善。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种船体优化结构应力响应函数曲线的快速计算方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1：获取船舶优化方案及船舶原设计方案，确定海况散布图、计算浪向、计算频率集合W1；根据船舶原设计方案的结构分析结果，得到船体结构在计算浪向、计算频率集合W1下的应力响应函数曲线σA(ω)，ω∈W1；
步骤2：取海况散布图中有义波高的最小值设定为Hs；将有义波高Hs和海况散布图中各平均跨零周期Tz组成多个短期海况，根据计算频率集合W1获取各短期海况的波浪谱曲线Gηη(ω)；
Figure FDA0003679400870000011
步骤3：取各短期海况的波浪谱曲线Gηη(ω)中峰值对应的频率ω，构建频率集合W2；
步骤4：根据船体结构的应力响应函数曲线σA(ω)和计算频率集合W1，获取船体结构的基准曲线Qk0(ω)；
Figure FDA0003679400870000012
其中，σA-max(ω0)为船体结构应力响应函数曲线σA(ω)中的最高峰值，ω0为该最高峰值对应的计算频率，ω0∈W1；
步骤5：取满足Qk0(ω)≥0.5的频率ω构建高应力区频率集合W3，其余频率ω组成低应力区频率集合W4；
步骤6：根据船体结构的基准曲线Qk0(ω)和各短期海况的波浪谱曲线Gηη(ω)，计算与各短期海况对应的曲线[Qk0(ω)]2Gηη(ω)；取各短期海况对应的曲线[Qk0(ω)]2Gηη(ω)的峰值对应的频率ω，构建频率集合W5；
步骤7结合频率集合W2、W3、W4、W5，构建主要研究频率集合W6；
步骤7.1：初始化
Figure FDA0003679400870000013
步骤7.2：将频率集合W5中所有频率加入到主要研究频率集合W6中；
步骤7.3：对于高应力区频率集合W3中的频率ω3，若ω3∈W2，则将频率ω3加入到主要研究频率集合W6中；
步骤7.4：获取频率集合W2中计算频率的最小值ω2min和最大值ω2max；对于经过步骤7.3筛选后的高应力区频率集合W3中频率ω3，若ω2min＜ω3＜ω2max，则将频率ω3加入到主要研究频率集合W6中；
步骤7.5：对于低应力区频率集合W4中的频率ω4，若ω4∈W2且Qk0(ω4)＞β，则将频率ω4加入到主要研究频率集合W6中；其中，β为设定的计算精度，0.1≤β≤0.4；
步骤8：根据船舶优化方案对应的船体优化结构；对船体优化结构在与船舶原设计方案相同的计算浪向下进行结构分析，获取各主要研究频率ω6下的结构应力响应σB(ω6)，获取在频率ω0下的结构应力响应σB(ω0)；计算各主要研究频率ω6下的结构应力响应σB(ω6)对应的基准值Qk(ω6)，ω6∈W6；
Figure FDA0003679400870000021
步骤9：由ΔQk(ω6)值判断各主要研究频率ω6对应的Qk(ω)值是否改变；若ΔQk(ω6)＝0，说明船体优化结构在计算浪向下的应力响应函数曲线的形状未发生改变；
ΔQk(ω6)＝Qk(ω6)-Qk0(ω6)
步骤10：计算船体优化结构在计算浪向下对应各计算频率ω的结构应力响应σB(ω)，进而得到船体优化结构在计算浪向下的应力响应函数曲线；
Figure FDA0003679400870000022
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