一種船舶靜水剪力及彎矩計(jì)算方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于裝載計(jì)算機(jī)核心技術(shù)的船舶強(qiáng)度計(jì)算領(lǐng)域，特別是一種船舶靜水剪力 及彎矩計(jì)算方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 計(jì)算散貨船、集裝箱船等甲板大開口船舶的靜水剪力及彎矩是SOLAS公約強(qiáng)制要 求。SOLAS公約和國(guó)際船級(jí)社協(xié)會(huì)（IACS)要求船長(zhǎng)150m及以上的所有散貨船和符合船級(jí) 社規(guī)范所定義的甲板大開口船均應(yīng)配備裝載計(jì)算機(jī)軟件，且裝載計(jì)算機(jī)必須準(zhǔn)確地計(jì)算出 各種裝載狀況下的靜水剪力及靜水彎矩值。中國(guó)船級(jí)社的《鋼制海船入級(jí)與建造規(guī)范》也 規(guī)定要計(jì)算沿船長(zhǎng)各橫剖面的靜水剪力及彎矩。船舶靜水剪力及彎矩的計(jì)算是船舶航行安 全性的重要前提，也是船舶自動(dòng)裝載、裝載過(guò)程優(yōu)化及確定裝卸貨順序的基礎(chǔ)。
[0003]目前船舶強(qiáng)度計(jì)算方法可大體分為兩種：一種是建立船舶的有限元模型，通過(guò)有 限元分析計(jì)算船舶強(qiáng)度，另外一種是根據(jù)簡(jiǎn)易梁的彎曲理論計(jì)算船舶強(qiáng)度。2014年王峰等 基于NAPA采用全船有限元簡(jiǎn)化方法計(jì)算船舶總縱強(qiáng)度[1] ;2014年高茂進(jìn)使用Maxsurf 軟件進(jìn)行靜水剪力及彎矩計(jì)算[2] ;2013年黃敏采用DNV的SESAM軟件計(jì)算船舶縱向強(qiáng)度
[3] ;2012年孫一方基于NURBS技術(shù)開發(fā)了一套散貨船配載儀，采用梯形分布法計(jì)算船舶重 量曲線[4] ;2012年郭雷根據(jù)邦戎曲線通過(guò)迭代計(jì)算出船舶浮力曲線，采用梯形分布法計(jì) 算重量分布曲線[5] ;2011年楊義益以NAPA軟件為開發(fā)平臺(tái)，采用NAPABASIC語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)了 船體撓度的計(jì)算機(jī)總縱強(qiáng)度校核[6] ;2011年高寶坤利用TRIB0N船舶生產(chǎn)設(shè)計(jì)平臺(tái)編寫程 序?qū)χ鞔w總縱強(qiáng)度進(jìn)行了計(jì)算校核[7] ;2011年黃智翔利用CCS的COMPASS軟件計(jì)算出 各個(gè)工況下的靜水剪力及彎矩[8] ;2011年肖紅文分別用《國(guó)內(nèi)航行海船建造規(guī)范》（2006) 和《鋼質(zhì)內(nèi)河船舶建造規(guī)范》（2009)規(guī)定的總縱強(qiáng)度計(jì)算方法來(lái)計(jì)算船體的靜水彎矩和靜 水剪切力[9] ;2009年，張偉等基于Maxsurf軟件，利用二維型線圖進(jìn)行三維建模，然后導(dǎo)入 Hydromax模塊進(jìn)行總縱強(qiáng)度分析[10] ;2009年，徐瑜利用Excel根據(jù)船舶型值表、邦戎曲 線及空船重量分布等編制了船舶總縱強(qiáng)度核算程序[11] ;2009年，楊彩虹研究了船用裝 載儀的相關(guān)技術(shù)，其計(jì)算重量分布曲線時(shí)采用了梯形分布法[12] ;2008年，段興峰等利用 船廠提供的空船重量分布、靜水力數(shù)據(jù)及邦榮曲線等數(shù)據(jù)，結(jié)合數(shù)字型值表開發(fā)了一套船 舶裝載儀，其計(jì)算強(qiáng)度時(shí)采用傳統(tǒng)方法[13] ;2007年，韓永波提出根據(jù)艙室的橫剖面積曲 線進(jìn)行重量分布[14] ;2006年，姜廣煜基于NAPA計(jì)算船舶總縱強(qiáng)度[15] ;2002年，尹群詳 細(xì)介紹了船舶靜水剪力及彎矩的計(jì)算方法[17] ;2001年，吳善剛介紹了在缺乏靜水力性能 和空船重量分布資料的情況下船舶總縱強(qiáng)度計(jì)算的方法[16]。
[0004]目前在計(jì)算船舶靜水剪力及彎矩時(shí)，主要是根據(jù)船舶設(shè)計(jì)部門提供的船舶靜水力 表、艙容表、邦榮曲線、空船重量分布表及肋距表進(jìn)行計(jì)算。其計(jì)算步驟如下：
[0005] (1)計(jì)算船舶縱傾浮態(tài)
[0006] 設(shè)LBP為船舶兩柱間長(zhǎng)，XBS船舶浮心縱向坐標(biāo)，MTC為每厘米縱傾力矩，#為縱傾 角，T為平均吃水，A為船舶排水量，PJPX&分別為每個(gè)艙室的裝貨量及重心縱向坐標(biāo)，Pi 由用戶輸入，X&根據(jù)Pi查取艙容表獲得。
[0007] 1)由排水量A查靜水力表得到吃水T，Xb，Xf，MTC。
[0013] (2)計(jì)算浮力分布曲線
[0014] 船舶在某一裝載狀況下，描述浮力沿船長(zhǎng)分布狀況的曲線稱為浮力分布曲線。
[0015] 如圖1所示，設(shè)& 沿船長(zhǎng)方向第i-1，i號(hào)肋位的縱向坐標(biāo)值。根據(jù)步驟 (1)計(jì)算出的船艏吃水TF及船艉吃水TA通過(guò)線性插值即可計(jì)算出第i-1號(hào)及第i號(hào)肋位 處的吃水Ti:及Ti。根據(jù)吃水查取船舶邦榮曲線可得到第i-1號(hào)及第i號(hào)肋位處的浸水面 積4 :及Ai，則第i-1號(hào)肋位與第i號(hào)肋位間的浮力為：
[0016]
[0017] 式中P為海水密度；A1^為i-1號(hào)肋位與第i號(hào)肋位間間距。
[0018] (3)計(jì)算重量分布曲線
[0019] 空船重量直接使用裝載手冊(cè)中的空船重量分布數(shù)據(jù)，貨艙、油水、船員及備品這些 可變重量采用"梯形分布法"計(jì)算，如圖2所示。
[0020]
[0021] 其中，P為可變重量的質(zhì)量；XP為可變重量重心的縱向坐標(biāo)；L為可變重量的分布 范圍；PA&PF分別為可變重量分布范圍后端及前端重量分布值，中間部分重量分布采用線 性插值。
[0022] (4)計(jì)算船舶載荷，第i_l號(hào)肋位與第i號(hào)肋位間的載荷：
[0023] Qx=ff-B,
[0024] 其中，為肋位間浮力；Wi為肋位間重量。
[0025] (5)計(jì)算船舶剪力，第i_l號(hào)肋位與第i號(hào)肋位間的剪力：
[0026]
[0027] (6)計(jì)算船舶彎矩，第i_l號(hào)肋位與第i號(hào)肋位間的彎矩：
[0028]
[0029] 這種做法存在著一些不足：
[0030] 1)計(jì)算船舶浮態(tài)時(shí)基于船舶設(shè)計(jì)部門提供的靜水力數(shù)據(jù)，只能計(jì)算船舶縱傾下的 浮態(tài)，當(dāng)船舶存在橫傾時(shí)會(huì)存在一定的誤差；
[0031] 2)計(jì)算浮力曲線時(shí)需用到步驟1)計(jì)算的船舶浮態(tài)及船舶設(shè)計(jì)部門提供的邦榮曲 線。由于步驟1)所述方法只能計(jì)算船舶縱傾狀態(tài)下的浮態(tài)，所以當(dāng)船舶存在一定橫傾時(shí)會(huì) 導(dǎo)致一些誤差。另外船舶設(shè)計(jì)部門所提供的邦戎曲線在首尾處精度不夠，而船舶首尾的型 線又比較復(fù)雜，以至于出現(xiàn)剪力和彎矩曲線不閉合情況，需進(jìn)行剪力彎矩修正；
[0032] 3)計(jì)算重力曲線時(shí)采用"梯形分布法"計(jì)算可變重量分布，對(duì)于較規(guī)則的艙室，誤 差較小，但是對(duì)于含有槽型艙壁的貨艙、船艏艉處的艙室等不規(guī)則艙室會(huì)存在較大誤差。
[0033] 本發(fā)明涉及的參考文獻(xiàn)如下：
[0034] [1]王峰、陳毓珍、張青敏：全船有限元簡(jiǎn)化方法在總縱強(qiáng)度計(jì)算中的應(yīng)用[J]，船 舶與海洋工程，2014 (01) : 24-27。
[0035][2]高茂進(jìn)、吳介：108m甲板貨船總縱強(qiáng)度直接計(jì)算分析[J]，江蘇船 舶，2014(03) : 12-13。
[0036] [3]黃敏：3000DWT甲板貨船總縱強(qiáng)度計(jì)算分析[J]，中國(guó)水運(yùn)（下半月）， 2013(11):28-29。
[0037] [4]孫一方：基于NURBS技術(shù)的散貨船配載儀設(shè)計(jì)[D]，哈爾濱工程大學(xué)，2012。
[0038] [5]郭雷：駁船配載系統(tǒng)工程問(wèn)題研究[D]，大連理工大學(xué)，2012。
[0039] [6]楊義益：基于NAPA考慮撓度的甲板貨船總縱強(qiáng)度校核系統(tǒng)研究[D]，江蘇科技 大學(xué)，2011。
[0040] [7]高寶坤、周玉龍：基于TRIB0N平臺(tái)及數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)的船體總縱強(qiáng)度計(jì)算[J]，江 蘇船舶，2011 (05) : 1-3。
[0041] [8]黃智翔：5000T沿海甲板船總縱強(qiáng)度分析[J]，中國(guó)水運(yùn)（下半月）， 2011(10):117-118。
[0042] [9]肖紅文、劉家新：江海直達(dá)貨船總縱強(qiáng)度規(guī)范計(jì)算及研究[J]，船海工程， 2011(06):35-39。
[0043] [10]張偉：某散貨船結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析[D]，大連海事大學(xué)，2009。
[0044] [11]徐瑜：基于沿海貨船的總縱強(qiáng)度研究[D]，大連海事大學(xué)，2009。
[0045] [12]楊彩虹：船用裝載儀相關(guān)技術(shù)的研究與開發(fā)[D]，哈爾濱工程大學(xué)，2009。
[0046] [13]段興鋒：基于型值表的船舶裝載儀的研究[D]，大連海事大學(xué)，2008。
[0047][14]韓永波：基于數(shù)字型值表的船舶強(qiáng)度校核及裝載儀設(shè)計(jì)[D]，大連海事大學(xué)， 2007〇
[0048] [15]姜廣煜、謝云平、劉可峰等：基于NAPA大寬深比船舶總縱強(qiáng)度計(jì)算方法及分 析[J]，江蘇科技大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2007 (S1): 21-23。
[0049] [16]吳善剛、邱文昌：基于船體型線圖的縱傾與總縱強(qiáng)度計(jì)算方法，21世紀(jì)航海 科技發(fā)展動(dòng)向研討會(huì)，中國(guó)廣州、中國(guó)蘇州，2001 [C]。
[0050] [17]尹群、管義鋒、張延昌：船舶靜水剪力和彎矩的計(jì)算及分析[J]，造船技術(shù)， 2002(01):13-16。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0051] 為解決現(xiàn)有技術(shù)存在的上述問(wèn)題，本發(fā)明要設(shè)計(jì)一種可提高計(jì)算精度的船舶靜水 剪力及彎矩計(jì)算方法。
[0052] 為了實(shí)現(xiàn)上述目