Marine Structures 54 (2017) 112e126
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Marine Structures
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Structural response analysis of slamming impact on free fall
lifeboats*
a, *
b
c
d
Jonas W. Ringsberg , Svein Erling Heggelund , Paul Lara , Beom-Seon Jang ,
Spyros E. Hirdaris
e
a Department of Mechanics and Maritime Sciences, Chalmers University of Technology, Gothenburg, Sweden
b DNV GL, Hoslash;vik, Norway
c Ship Structures Branch, Naval Surface Warfare Center, Carderock Division, West Bethesda, USA
d Department of Naval Architecture and Ocean Engineering, Seoul National University, Seoul, South Korea
e Lloyd#39;s Register EMEA, Strategic Research Lab, Global Technology Centre, Southampton Bolderwood Innovation Campus, UK
a r t i c l e i n f o
a b s t r a c t
Article history:
The evaluation of impact induced slamming loads experienced by ships and offshore
structures using advanced fluid structure interaction methods may be a challenging task
involving complex and time consuming engineering solutions. This is the reason why to
date the application of well understood and validated quasi-response approaches remains
the most rational alternative used by experts for preliminary design assessment. Based on
a benchmark study carried out by the International Ship and Offshore Structures Congress
Technical Committee II.1 on Quasi-Static Response this paper demonstrates the practical
use of “quasi-response” prediction methods for the assessment of impact loads on modern
free fall lifeboats. The case study presented is considered relevant in terms of technical
background and ship design for safety. Following a brief review rationalising the practical
relevance of the engineering solutions examined, the influence of high speed impact is
evaluated using linear-elastic and nonlinear beam models, as well as a nonlinear transient
dynamic finite element analysis idealisation. Comparisons of the methods presented
against experimental results led to the conclusion that the nonlinear quasi-dynamic beam
approach accounts for the influence of the dynamic effects of strain by suitably idealising
the effects of nonlinear geometric stiffness. It may therefore be more appropriate to
employ this approach at preliminary stage, especially when conducting comparisons
against simplistic linear methods used for rigid structures (e.g. stiffened steel and
aluminium panels), or advanced nonlinear finite element analysis and other multi-physics
methods that may be computationally complex and time consuming.
Received 5 September 2016
Received in revised form 8 February 2017
Accepted 28 March 2017
Available online 18 April 2017
Keywords:
Free fall lifeboat
Geometric nonlinearities
Preliminary ship design
Quasi-response
Slamming impact loads
copy; 2017 Elsevier Ltd. All rights reserved.
1. Introduction
Free-Fall Lifeboats (FFLBs) have shown rapid development since their commercial dawn in 1962. They are typically thin
plated composite hull structures with many advantages over the traditional lifeboats lowered by wires. They can be deployed
* Paper prepared in conjunction with the ISSC committee work 2012-2015. Edited in cooperation with Professor Carlos Guedes Soares, chairman of
ISSC2015 conference.
* Corresponding author.
E-mail address: Jonas.Ringsberg@chalmers.se (J.W. Ringsberg).
http://dx.doi.org/10.1016/j.marstruc.2017.03.004
0951-8339/copy; 2017 Elsevier Ltd. All rights reserved.
J.W. Ringsberg et al. / Marine Structures 54 (2017) 112e126
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Nomenclature
List of abbreviations
BEM
CFD
FE
Boundary Element Method
Computational Fluid Dynamics
Finite Element
FFLB(s) Free Fall Lifeboat(s)
FSI
GNL
Fluid Structure Interaction
Geometrically Nonlinear
NL-FEA Nonlinear Finite Element Analysis
OLF
S1
Norwegian Oil Industry Association (changed name to NOROG e Norsk Olje og Gass)
Plate strip (force transducer) in way of the stern of the FFLB
S2
Plate strip (force transducer) in way of the bow of the FFLB
List of symbols
A
Cross-section area of plate strip [m2]
B
Cp
D
E
Overall width of FFLB [m]
Pressure coefficient []
Dynamic factor []
Elastic modulus [MPa]
G
Shear modulus [MPa]
Hs
I
Significant wave height [m]
Moment of inertia [m4]
L
LOA
Characteristic length of plate strip [m]
Length overall [m]
Lpp
M
Overall length of FFLB [m]
Bending moment [Nm]
madd
N
p
Added mass [kg]
Normal force in plate strip [N]
Pressure load [Pa]
P
q(x)
R
T
Point load acting on the plate strip [N]
Distributed load on plate strip [N/m]
Characteristic radius of half circle in added mass calculations [m]
Wave period [s]
t
t1
Tn
V
Plate strip thickness [m]
Duration of pressure pulse [s]
Natural peri
洋结构 54（2017）112-126
目录表详见科学直通车
海洋结构
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关于抛落式救生艇所受冲击载荷的结构性分析*
乔纳斯·W·林斯伯格a，斯文恩·厄林·黑格伦德b，保罗·劳拉c，张成泽d，斯皮罗斯·E·希尔达里斯e
a 瑞典哥德堡查尔姆斯理工大学机械与海洋科学系
b 挪威奥斯陆DNV·GL集团
c 美国西贝塞斯达卡德罗克师海军水面作战中心船舶结构分部
d 韩国首尔国立大学海军建筑与海洋工程系
e 英国南安普敦博德伍德创新学院全球技术中心战略研究实验室劳埃德船级社EMEA
文 章 信 息 摘 要
使用先进的流体-结构相互作用方法评估船舶和海上结构物的冲击引起的砰击载荷可能是一项涉及复杂且耗时的工程解决方案的挑战性任务。这就是为什么迄今为止，充分理解和验证的准响应方法仍然是专家用于初步设计评估的最合理的替代方法的原因。本文以国际船舶和海上结构物大会技术委员会（II.1）关于准静态响应的基准研究为基础，论证了“准响应”预测方法在现代自由落体救生艇冲击载荷评估中的实际应用。从技术背景和船舶安全设计的角度来看，本文提出的案例研究是具有重大意义的。在简要回顾了所研究工程解决方案的实际相关性之后，利用线性弹性和非线性梁模型以及非线性瞬态动力有限元分析理想化，评估了高速冲击的影响。将所提出的方法与实验结果进行比较，得出结论：通过适当地理想化非线性几何刚度的影响，非线性准动态梁方法可解释应变的动态效应的影响。因此，在初步阶段采用这种方法可能更为合适，尤其是在与用于刚性结构（例如加劲钢和铝板）的简单线性方法进行比较时，或者采用可能计算复杂而且耗时的先进的非线性有限元分析和其他多物理场方法。
文章历史：
收到日期：2016年9月5日
于2017年2月8日收到修订版
接受日期：2017年3月28日
2017年4月18日在线发布
关键字：
抛落式救生艇
几何非线性
船舶初步设计
准响应
冲击载荷
copy; 2017 艾斯维尔有限公司 保留所有权利
- 介绍
自由落体救生艇自1962年商业化黎明以来发展迅速。它们是典型的薄镀层复合船体结构，与传统的用金属丝降低的救生艇相比具有许多优点。它们可以快速部署，由于它们在撞击后通过水面的路径，它们能迅速到达一个安全的位置和速度，适合有效地从石油平台或船舶上撤退。
*该文件与ISSC委员会协力编写于2012-2015年。与ISSC2015会议主席卡洛斯·古德斯·索雷斯教授合作编辑
*通讯作者
电子邮件地址： Jonas.Ringsberg@chalmers.se (J.W. Ringsberg).
http://dx.doi.org/10.1016/j.marstruc.2017.03.004
0951-8339/copy; 2017 艾斯维尔有限公司 保留所有权利
命名法
缩略语列表
BEM Boundary Element Method 边界单元法
CFD Computational Fluid Dynamics 计算流体力学
FE Finite Element 有限元
FFLB(s) Free Fall Lifeboat(s) 抛落式救生艇
FSI Fluid Structure Interaction 流固耦合
GNL Geometrically Nonlinear 几何非线性
NL-FEA Nonlinear Finite Element Analysis 非线性有限元分析
OLF Norwegian Oil Industry Association (changed name to NOROG - Norsk Olje og Gass)
挪威石油工业协会（更名为NOROG - Norsk Olje og Gass）
S1 Plate strip (force transducer) in way of the stern of the FFLB
板带（力传感器），位于FFLB的尾部
S2 Plate strip (force transducer) in way of the bow of the FFLB
板带（力传感器），位于FFLB的弓部
符号列表
A 板带横截面积[m2]
B FFLB总宽[m]
Cp 压力系数
D 动态因素
E 弹性模量[MPa]
G 剪切模量[MPa]
Hs 显著波高[m]
I 转动惯量[m4]
L 板带钢长度特征[M].
LOA 总长[m]
Lpp FFLB总长[m]
M 弯曲力矩[Nm]
Madd 添加质量（kg）
N 板带法向力[N]
p 压力负载[Pa]
P 板带上的点载荷[N]
q(x) 板带分布载荷[N/m]
R 附加质量计算中半圆的特征半径[m]
T 波周期[s]
T 板带厚度[m]
t1 压力脉冲持续时间[s]
Tn 板带的自然周期[s]
V 速度[m/s]
w(x) 板带的弯曲度[m]
x, y, z 坐标[m]
B 角[度]
ε 正应变[ms，微应变]
r 密度 [kg/m3]
y 泊松比
J.W. Ringsberg et al. / Marine Structures 54 (2017) 112e126
2005年，挪威石油安全管理局对挪威海洋工业使用的FFLB的安全性表示担忧。该安全项目是在挪威国家石油公司Veslefrikk B平台上进行的试落后进行的，在该平台上观察到了FFLB上部结构的损坏。针对这一事件，挪威国家石油公司和救生艇制造商发起的“挪威石油工业协会（OLF）自由落体救生艇项目”在引发人们对与设计评估和FFLBS安全相关的技术问题的兴趣方面发挥了关键作用。作为本项目的一部分进行的技术工作制定了现有最先进的工程方法的基础，这些方法用于评估自由落体救生艇的冲击载荷，并制定了相关的海上自由落体救生艇设计标准DNV-OS-E406 [1]。2005年，瑞典和挪威海事管理局向国际海事组织（IMO）海事安全委员会（MSC）设计和设备小组委员会（DE）提交的报告还审查了事故的影响以及模型/全尺寸测试在设计开发中的作用[2-4]。
J.W. Ringsberg et al. / Marine Structures 54 (2017) 112e126
根据工程经验，FFLB的设计应确保结构不会因进水而受损。然而，确定FFLB的实际设计荷载（尤其是进水引起的砰击）仍然是一项具有挑战性的任务，特别是因为设计评估依赖于使用物理模型试验的结果，物理模型试验包括一个大型环境试验矩阵，包括波头、落差高度和风向。根据现行标准，这种方法可被认为足以确保在最极端环境条件下的安全性和可靠性[1]，但由于与以下因素相关的差异，这种方法并不实际：（i）复制水池中的砰击冲击最坏点，以及（ii）为跌落条件下的储备强度建立统一的公式。此外，砰击过程中的高压峰值可能导致非常大的变形，其中使用数学上复杂和计算密集的任务涉及非线性有限元分析（NL-FEA）和流体动力学（例如边界元方法-BEM或计算流体动力学-CFD）理想化的耦合[5-10]。这就是为什么一个经过充分验证、实际合理化和简化的评估工具和程序仍然被认为是初步设计的实际意义所在。
本文利用了国际船舶和海上结构物大会技术委员会（II）成员开发的实用工具和方法。
（a）在分类规则范围内，进一步合理化此类海洋结构物的设计评估。
以及设计评估程序。
（b）通过建议在合理化过程中使用的简单方法来帮助设计优化。
重量、成本和制造方法。
（c）协助生成或评估安全案例或进行型式认证。
（d）更好地了解FFLBS进水所涉及的物理过程。
1.关于准静态响应，并提出了一个封闭形式的保守梁公式，该公式解释了冲击过程中发生的大变形的几何非线性效应（GNL）。本文所提出的方法可用于初步设计阶段FFLBS冲击荷载的初步设计或设计评估。本文所提出的方法可用于初步设计阶段FFLBS冲击荷载的初步设计或设计评估。从这个意义上讲，所提交的工作可被视为以下方面的一个重要里程碑：
- FFLB冲击引起的撞击
类似船舶的海洋结构物对结构物和流体之间相对速度较高的波浪流体环境的影响被称为局部撞击，这一现象直接适用于已发射的FFLB的进水阶段。因此，砰击涉及流体和结构部件的相互作用，它包含高度非线性和复杂的FSI域。对初步设计中使用的冲击荷载进行评估的合理工程解决方案应以现实的方式理想化，或考虑流体作用对结构储备强度的影响而简化。本节讨论了与落差动力学和进水冲击引起砰击载荷物理有关的一些关键问题。尽管审查并不详尽，但在对问题的严重性进行分类并为初步设计和设计评估提供相关的有效背景的背景下，或许可以认为审查是适当的。
2.1FFLB液滴的刚体动力学
FFLB的发射（见图1a）包括在空中的初始轨道，随后是在水中的轨道。在收起位置的滑橇发射救生艇的发射参数如图1b所示；图1c概述了FFLB下降的阶段，可分为五个独立的阶段，即：（1）从发射系统释放、旋转（注：仅用于滑橇发射救生艇）和自由降落，（2）撞击和进水，（3）下沉，（4）上升，和（5）表面修整和航行运动。释放机构的激活启动发射事件，将救生艇送下滑橇（滑橇发射）或直接进入自由落体（下降发射）。
2.2物理和FFLB的冲击载荷理想化
冲击引起的砰击领域的大多数有用见解（对于FFLB或任何其他加强结构）可通过审查关键实验工作（如模型规模或全规模跌落试验）、分析解决方案来实现，以及计算方法（如BEM、CFD和NL-FEA方法）。准响应方法应尽可能考虑相关物理。这就是为什么本节讨论了一些关键的关联方法；敏锐的读者可以参考参考文献。[11-14]。
假设二维轴对称区域内的对称撞击动量砰击理论可以应用于FFLB的入水问题。这意味着作用在身体上的力可以根据冯·卡曼[15]的原理，通过动量传递到周围水的速率来评估。瓦格纳[16]对这种方法进行了扩展，他提出了一种考虑水堆效应的局部小死角入水的渐近解。虽然这种方法已广泛应用于海洋流体动力学领域，但它假定只会遇到不影响结构周围流体运动的微小变形。利用伯努利方程、势流理论和线性化体边界和自由表面条件，得到了流体动力压力。科罗布金等人介绍的最新分析解决方案。[17]建立在这一发展的基础上，并及时关注湿体区域的影响，这是波浪冲击的另一个重要特征，可能影响施加到结构上的荷载的大小。然而，这些方法都没有考虑到结构诱导GNL对动态响应的影响，这对
图1。FFLB动力学：（a）FFLB全尺寸试验，（b）刚体动力学理想化[1]，和（c）发射试验阶段1-5[1]。
于本文研究的FFLBS所经历的高冲击动态响应可能是显著的。计算方法，取决于它们的分类[18]（如势流、二维和三维弱非线性水动力冲击方法、CFD等），可能会揭示动态现象在解的边界域（即冲击区、自由表面区等）中的影响。例如，使用BEM解决赵等人提出的冲击问题。参考文献[1]中列出了[19]作为可用于计算砰击载荷的几种方法之一。据信，它提出了一个可行的解决方案，在潜在的流动分析，包括线性或非线性自由表面。在这种方法中，由于流体在撞击过程中的加速度，重力效应在撞击问题中通常被忽略。然而，在轻度撞击中，重力效应的影响可能更大，因为不能假设流体加速度比重力加速度大得多。从这个意义上讲，它们不会被认为影响到FFLB案例中高影响的理想化。另一方面，根据后来的研究成果[20]，线性或弱非线性势流流体动力学对FSI现象的理想化可能会由于此类方法对理想化一般流分离的限制而出现弱点，自由表面交叉点附近高速的局部射流或结构与射流交叉点处的明显振荡。冲击也可能导致速度势的奇点，导致压力在有
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