工信部船型开发项目-精品船舶共性设计技术研究（第一遍初稿） -(3)

3初步研究方案、关键技术及解决途径 3.1 初步研究方案

3.1.1船舶全寿命周期内安全和环保技术指标研究

（1）船舶结构的总体强度计算分析 建立船体结构有限元模型。

确定海洋环境条件：确定海洋环境条件，主要包括最大波高、波浪周期范围或平均波浪周期、表面流速以及风速等参数，考虑波浪载荷非线性。

形成总体强度分析的外载荷：从水动力性能及运动性能预报分析结果中提取海洋环境作用于结构的环境载荷，进一步分析确定进行总体强度计算分析的外载荷。

船舶结构总体强度计算：分别计算在最大总纵弯曲状态、最大扭转力矩状态和最大横向波浪力状态下结构总体强度。

（2）特殊局部结构强度分析

确定关键节点：参照结构总体强度计算分析的结果，确定进行结构局部强度计算分析、屈服强度计算分析的关键节点。

针对关键节点进行初步的局部结构详细设计。 建立关键节点局部结构精细有限元模型。

根据结构总体强度计算分析的载荷条件和计算结果，确定关键节点结构局部强度计算分析、局部屈曲强度计算分析的载荷条件和边界条件。

进行特殊局部结构强度计算分析。 （3）船舶结构疲劳寿命计算分析

根据关键节点局部结构应力分布状态的计算结果，采用热点

应力进行疲劳分析，在疲劳寿命分析中计入焊接残余应力的影响。

通过焊接结构模型的疲劳试验，研究焊接残余应力在交变应力作用下的衰减变化特性。

根据结构总强度计算分析的结果，确定进行疲劳寿命计算分析的关键局部结构。

确定S-N曲线。

确定关键节点局部结构热点交变应力范围的统计分布参数。 针对选定的关键局部结构进行疲劳损伤计算分析及寿命评价。

（4）船舶结构冗余度计算分析

研究结构在多种损伤状态下的极限承载力，其中包括局部结构的疲劳裂纹、腐蚀以及构件的失稳等。

应用断裂力学参变量来探讨裂纹在恶劣海况引起的冲击载荷作用下，发生脆性断裂的可能性。

研究不同时期结构在腐蚀影响下，由于构件截面的削减而引起结构极限承载力的变化，这其中包括构件强度和压曲稳定性的减弱。

研究结构钢材料韧性参数与裂纹尖端极限应力强度因子及极限CTOD之间的相关关系。

基于关键节点结构局部强度计算分析的结果，研究局部结构的疲劳裂纹的不安定破坏强度。

研究关键节点局部结构发生破坏时，结构整体发生毁伤破坏的分析技术。

（5）考虑工艺过程产生有害残余应力的船体结构安全评估和

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优化设计方法

在工艺过程引起的船体结构内有害残余应力分布规律研究的基础上，分析船体建造工艺环节中各种制造载荷产生的有害残余应力发生在船体及其构件中的力学行为，研究有害残余应力对结构强度和疲劳等安全性能影响的评估方法。

在有害残余应力对船体结构安全的评估结果的基础上，对船体结构优化设计方法展开研究。

3.1.2 精品船舶耐波性指标研究和预报软件开发

3.1.3减少压载水量的船型优化设计方法研究

减少船舶压载水船型研究的关键问题是，在保证船舶其他技术经济性能的前提下，尽量减少船舶压载水的携带量。

本课题以精品船型为母型，保证其载重量不变的前提下，通过一种基于参数化技术的船型改良方法，快速生成能保证安全航行且所需压载水量尽量少的若干个可行船型方案，然后对各船型分别进行完整稳性、破损稳性、快速性、耐波性及操纵性计算分析，并结合模型试验，最后提出综合考虑环保，安全，经济性能的压载水量尽量少的新船型。

通过参数化船舶总体设计技术,在统筹考虑各方面性能的基础上,建立参数化的船舶模型，将船舶的主要参数，特别是水线以下船体曲面的控制数据提取出来做为控制参数。调整这些控制参数，通过特定的参数化机制，实现整个船体参数化模型的更新，并随之完成各项性能计算。通过计算指标对方案进行取舍，或者决定优化的方向。采用传统的方法，计算一次方案需要几个星期，

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而采用参数化的方法，完成一个方案计算仅需要几个小时甚至更少时间，而且可以在无人值守的前提下完成所有计算。这样就可以从大量的方案中选优，或者通过优化算法找到满足设定条件的最优解。

3.1.4船舶节能减排技术研究

3.1.5精品船型关键设计技术参数指标范围研究

3.1.6船舶营运经济性评估方法和指标体系研究

研究国际公约、规范、规则的实施对船舶设计及建 造带来哪些经济性方面的影响；

按照船型类型搜集相关技术经济指标资料（国内外）； 分析国内外同型船舶的技术指标与经济指标的差异； 分析与内部收益率相关联的因素（国内外金融政策、设计方案、建造质量）；

形成不同船型的内部收益率的指标集；

研究不同指标集的属性，研究不同属性的影响权重，建立科学的评估方法。

3.1.7船舶振动与噪声控制方法和技术指标体系研究

3.2 关键技术及解决途径

3.2.1船舶全寿命周期内安全和环保技术指标研究

3.2.2 精品船舶耐波性指标研究和预报软件开发

（1）考虑船体波面下排水体积随波浪和船舶运动的变化以及

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Smith效应，采用切片理论求解船舶的波浪外载荷。

（2）根据波面下排水形状，积分求解船舶横摇回复力矩。可利用船体型值表分段拟合船体型线，结合波面运动方程和船体瞬时位臵，针对波面下瞬时湿表面计算横摇回复力矩。

（3）在时域内数值求解船舶耦合运动方程。利用“安全池”理论，分析船舶在不同初始条件、不同波浪参数以及不同航速、航向下的安全区域。利用运动相图、庞加莱截面以及功率谱，分析系统运动的分岔及混沌。可采用龙格库塔等数值积分方法即可完成时域内微分方程的求解，结合“安全池”理论和非线性运动数值分析方法，即可完成对系统运动数值解的稳定性、分岔及混沌分析。

（4）进行相应的模型试验，将试验结果与数值分析结果进行比较。

3.2.3减少压载水量的船型优化设计方法研究

主要以减少压载水量为目的得到的船型可能有多种船型方案，为了对大量船型方案进行各种性能（浮性、稳性、快速性、耐波性等）的计算分析，关键是要开发各种性能快速计算程序，主要包括以下几方面：船体曲面的参数化定义以及通过参数驱动且保证船体曲面光顺性的型线设计；船舶快速性计算；船舶耐波性计算；通过参数驱动的舱室定义自动更新与舱容要素的快速计算；浮态与稳性的快速计算；首部抨击计算程序开发;结构强度的快速计算。关键问题的解决途径如下：

（1）通过NURBS曲面表达船体曲面，基于三维船体曲面，通过变换方程实现船体曲面的变换。通过参数化船体曲面变换方程

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