超大型集装箱船在规则波中非线性波激振动试验研究

摘要

本研究通过试验分析了超大型集装箱船在规则波浪中的非线性波激振动现象，尤其关注垂向、水平和扭转非线性弹振对结构疲劳强度的影响。为了更精准地模拟此类船舶的结构特性，研究设计了一种具有U形骨架的分段船模，能够同时模拟垂向、水平及扭转刚度，并确保剪切中心与实船位置一致。试验结果表明，在不同波浪方向和高航速下，二倍倍频非线性波激振动对垂向弯矩影响显著，而扭转非线性波激振动的影响相对较弱。

 

图1 超大型集装箱船分段模型试验

引言

船体结构的波激振动现象是由于波浪共振引起的高频振动，会导致结构疲劳裂纹加速扩展，尤其在集装箱船上表现显著。过去二十年中，研究人员通过模型和实船长期监测，验证了波激振动现象对结构疲劳损伤的影响。通过该试验验证了一个可以同时模拟垂向、水平和扭转刚度的船模设计，为集装箱船的疲劳损伤与结构安全设计提供了新的试验基础。

试验设计

为了更好地模拟船体实际受力情况，本研究设计了一种U形骨架结构，满足全尺寸集装箱船的垂向、水平及扭转刚度相似，同时满足几何和结构相似性。U形骨架采用ABS塑料材质分段装配，通过特定的剪切流方法测量扭矩。试验基于在静态与动态模式下对U形骨架进行多次标定，确保骨架的弹性和精度。船模分为8个分段，以确保质量分布、重心和惯性矩与实船相符。

图2 U型梁测量示意图

结果与讨论

1. 垂向非线性波激振动：试验结果显示，垂向非线性波激振动在二倍倍频激励下较为显著。当船舶以不同波浪方向高速航行时，垂向弯矩的谐振频率约为波频的2.5到4.5倍。试验表明，垂向非线性弹性响应的幅值随波频和船速的增加而显著增加，特别是在船艏位置。
2. 水平非线性波激振动：试验还表明，水平弯矩在较高频率下的波激振动不如垂向显著。随着波长和船速的增加，水平弯矩的波激振动也呈现出非线性趋势，但总体影响较弱。
3. 扭转非线性波激振动：由于集装箱船的结构特点，扭转刚度相对较低，因此扭转波激振动表现较弱。试验表明，扭转谐振在波频的2倍左右，但并未达到垂向波激振动的影响强度。

图3 垂向、水平及扭矩非线性波激振动影响

结论

试验结果揭示了超大型集装箱船在波浪中倍频激励作用下的弹性响应机制。研究设计的U形骨架分段船模能够精确模拟超大型集装箱船的刚度特性，为更好地理解船体结构在波浪载荷下的疲劳强度提供了试验支持。本研究为进一步优化船体结构设计提供了数据支持，建议在设计中关注波激振动对船体尾部区域的影响，以提升结构疲劳强度和安全性。

参考文献

[1] Si H, Tian C, Yang J, et al. Experimental investigation of nonlinear springing of ultra-large container ship in regular waves[J]. Marine Structures, 2025, 99: 103697.