常规水面舰艇全寿命周期的垂向组合弯矩数据处理方法及系统与流程

1.本发明属于船舶工程(船舶船体结构设计与评估)技术领域，尤其涉及一种常规水面舰艇全寿命周期的垂向组合弯矩数据处理方法及系统。


背景技术：

2.目前，船舶组合弯矩的计算是开展船舶结构设计和状态分析的重要内容，相应的计算方法是开展船体安全评估及剩余寿命预测的关键技术。
3.随着舰艇使用强度的不断增加，船体结构的安全性日益受到重视，而评估船体结构安全性的关键就是要准确地计算船体组合弯矩。由于常规水面舰艇船体瘦削，没有较大开口，船体主要承受垂向弯矩作用。因此，在组合弯矩计算方面更为关注垂向组合弯矩的计算。
4.常规水面舰艇船体垂向组合弯矩的计算，通常采用军用规范(如，gjb4000-2000《舰艇通用规范》、gjb/z199-99《水面舰艇结构设计计算方法》)给出的计算方法。这些方法形式通常较为简单，计算结果保守，能够满足舰艇船体结构设计和强度校核的需要。但这些方法不考虑载荷的时变性和随机性，导致其计算结果不能客观地反映组合弯矩真实值，因而在舰艇船体结构技术状态时变性分析、剩余寿命预测等方面存在较大局限性。
5.在民用船舶领域有一些考虑载荷时变性、随机性的组合弯矩计算方法，如迭加法、turkstra法、ferry borges castanheta组合法(简称fbc组合法)等。这些方法能在一定程度上反映船舶组合弯矩的客观性，但是由于民用船舶与舰艇在结构形式、装载状态、航行性能及功能属性等方面存有显著差异，这些民船领域中组合弯矩的计算方法并不能适应舰艇组合弯矩的计算。同时，迭加法在计算组合弯矩过程中，没有体现载荷的随机性，这与实际是不符的。turkstra法实质上属于传统确定性方法到随机统计方法的一个过渡方法。虽然一定程度上克服了迭加法的保守性，但该方法不能有效反映载荷极值同时出现的可能性，进而低估最终响应的极值。而fbc组合法虽然在一定程度上提升了turkstra法的计算结果的鲁棒性，但是由于波浪弯矩和静水弯矩实质上属于不同的分布形式，所以其结果的准确性难以得到有效保证。
6.为此，一种能够客观反映舰艇静水弯矩、波浪弯矩时变性和随机性，一定程度贴切常规水面舰艇实际承受的载荷大小的垂向组合弯矩计算方法，在指导现役舰艇降级、调整航区使用方面具有重要的工程实用价值。
7.通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：
8.(1)常规水面舰艇船体垂向组合弯矩的计算方法，不考虑载荷的时变性和随机性，导致其计算结果不能客观地反映组合弯矩真实值，因而在舰艇船体结构技术状态时变性分析、剩余寿命预测等方面存在较大局限性。
9.(2)在民用船舶领域的考虑载荷时变性、随机性的组合弯矩计算方法，由于民用船舶与舰艇在结构形式、装载状态、航行性能及功能属性等方面存有显著差异，这些民船领域
中组合弯矩的计算方法不能适应舰艇组合弯矩的计算。
10.(3)迭加法在计算组合弯矩过程中，没有体现载荷的随机性，与实际不符；turkstra法不能有效反映载荷极值同时出现的可能性，进而低估最终响应的极值；fbc组合法由于波浪弯矩和静水弯矩实质上属于不同的分布形式，所以其结果的准确性难以得到有效保证。
11.解决以上问题及缺陷的难度为：
12.常规水面舰艇船体组合弯矩计算方法，其本质属于迭加法。相应的加权权数考虑的是结构的安全裕度，没有考虑载荷的随机性和时变性。因此，其难以真实体现船体结构组合弯矩实际结果。此外，常规水面舰艇船体组合弯矩计算方法相关参数仅涉及到舰艇的尺度，对于舰艇服役海域没有涉及，没有考虑待分析舰艇的特殊性和唯一性，综上，就舰艇组合弯矩计算结果的真实性，常规水面舰艇船体组合弯矩计算方法难以实现。
13.民用船舶领域船体组合弯矩计算方法在计算过程，过度简化静水弯矩或组合弯矩的分布特征，其计算结果的真实性也难以保证。此外，由于舰艇跟民用船舶在结构形式、装载状态、航行性能及功能属性等方面存有显著差异，这些民船领域中组合弯矩的计算方法不能适应舰艇组合弯矩的计算。民用船体组合弯矩计算方法有待改进。
14.解决以上问题及缺陷的意义为：
15.真实地体现舰艇船体组合弯矩，为舰艇结构设计和安全性评估提供精准载荷输入，为设计舰艇船体结构优化，在役舰艇降航行，调海域服役提供技术支撑。


技术实现要素：

16.针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种常规水面舰艇全寿命周期的垂向组合弯矩数据处理方法及系统。
17.本发明是这样实现的，一种常规水面舰艇全寿命周期的垂向组合弯矩数据处理方法，包括以下步骤：
18.步骤一，基于舰艇资料，计算垂向静水弯矩；
19.步骤二，明确静水弯矩的统计特征；
20.步骤三，根据舰艇航行区域海况统计数据，确定舰艇各海况下的短期波浪弯矩；
21.步骤四，基于波浪弯矩短期预报值进行长期分析，结合舰艇遭遇概率，明确舰艇全寿命周期内波浪弯矩的统计特征；
22.步骤五，采用蒙特卡洛数值模拟法将步骤二所述静水弯矩和步骤四所述波浪弯矩按统计分布规律进行拟合，确定全寿命周期内舰艇船体垂向组合弯矩。
23.进一步，步骤一中，所述基于舰艇资料计算垂向静水弯矩，包括：
24.根据舰艇相关资料确定相应装载状态下的静水弯矩；其中，所述舰艇相关资料，包括型线图、重力分布曲线和浮力分布曲线；所述静水弯矩除采用传统利用的计算方法外，还可运用相关的计算软件进行。
25.进一步，步骤二中，所述明确静水弯矩的统计特征，包括：
26.统计舰艇一年内装载情况，明确舰艇静水弯矩的统计特征；其中，所述统计特征，包括均值、变异系数、概率密度函数和累积概率分布函数；当数据较少，难以统计舰艇一年内装载情况时，则取dnv船级社规范允许的静水弯矩峰值m
s(max)
的60％作为静水弯矩的均
值，取偏差平方和的最小值作为变异系数，取值范围为0.15～0.35，分布规律满足正态分布。
27.其中，所述采用dnv船级社规范允许的静水弯矩峰值m
s(max)
的60％作为静水弯矩的均值的方法，其计算步骤：
28.(1)计算舰艇全寿命周期内，船体静水弯矩的峰值m
s(max)
，船体静水弯矩的峰值m
s(max)
计算公式为：
[0029][0030]
式中，l为设计水线长，单位为m；b为型宽，单位m；cb为方形系数；cw为计及船长影响的计算系数，计算公式为：
[0031][0032]
(2)取最大静水弯矩峰值的60％作为静水弯矩的均值，取偏差平方和的最小值作为变异系数，则静水弯矩的概率密度函数及累积概率分布函数的计算公式为：
[0033][0034]cv
指变异系数。
[0035]
进一步，步骤三中，所述根据舰艇航行区域海况统计数据，确定舰艇的各海况下短期波浪弯矩，包括：
[0036]
收集舰艇航行海域的海况统计信息，计算舰艇在统计海域内关注海况下短期波浪垂向弯矩统计短期波浪弯矩的概率密度函数f0(mw)和累积分布函数f0(mw)；其中，所述海况统计信息，包括波高和周期信息。
[0037]
所述海况统计数据的特征是指根据舰艇服役海域实际情况或其他资料明确，对于现役舰艇可根据其服役海域海况统计数据，对于设计舰艇即可根据其服役海域海况统计数据亦可根据现有相关的资料，包括有义波高hs，单位m；有义波高hs的发生概率波浪跨零周期tz，单位s，波浪跨零周期tz的
[0038]
其中，所述舰艇波浪弯矩除采用理论公式进行计算外，还可采用专业的计算软件进行。
[0039]
进一步，步骤四中，所述基于波浪弯矩短期预报值进行长期分析，结合舰艇遭遇概
率，明确舰艇全寿命周期内波浪弯矩的统计特征，包括：
[0040]
所述统计特征，包括均值、变异系数、概率密度函数和累积分布函数；
[0041]
舰艇在全寿命周期内，长期概率密度函数f(mw)和累积分布函数f(mw)根据舰艇不同航速、航向角和海况等级下短期波浪弯矩的加权叠加得到，即：
[0042][0043][0044]
式中，pk(v)为值航速的概率，pi(h
1/3
,tz)为海域统计资料中各海况出现的概率；pj(β)为各浪向角发生概率；为弯矩幅值样本数；为短期波浪弯矩概率密度函数；为短期波浪弯矩累积分布函数。短期波浪弯矩满足瑞利分布。
[0045]
舰艇全寿命周期20年内，波浪弯矩最大特征值对应的超越概率po为10-8
；此时，波浪弯矩最大特征值为：
[0046][0047]
式中，α、β为波浪弯矩长期预报值满足weibull分布时的形状系数，通过拟合得到。
[0048]
进一步，步骤五中，所述蒙特卡洛数值模拟法可通过编辑计算程序进行。
[0049]
本发明的另一目的在于提供一种常规水面舰艇全寿命周期的垂向组合弯矩数据处理系统，包括：
[0050]
垂向静水弯矩计算模块，用于基于舰艇资料，计算垂向静水弯矩；
[0051]
统计特征获取模块，用于明确静水弯矩的统计特征；
[0052]
短期波浪弯矩计算模块，用于根据舰艇航行区域海况统计数据，确定舰艇各海况下的短期波浪弯矩；
[0053]
长期分析模块，用于基于波浪弯矩短期预报值进行长期分析，结合舰艇遭遇概率，明确舰艇全寿命周期内波浪弯矩的统计特征；
[0054]
垂向组合弯矩确定模块，用于采用蒙特卡洛数值模拟法将所述静水弯矩和波浪弯矩按统计分布规律进行拟合，确定全寿命周期内舰艇船体垂向组合弯矩。
[0055]
本发明的另一目的在于提供一种计算机设备，所述计算机设备包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行如下步骤：
[0056]
基于舰艇资料，计算垂向静水弯矩；明确静水弯矩的统计特征；根据舰艇航行区域海况统计数据，确定舰艇各海况下的短期波浪弯矩；基于波浪弯矩短期预报值进行长期分析，结合舰艇遭遇概率，明确舰艇全寿命周期内波浪弯矩的统计特征；采用蒙特卡洛数值模拟法将所述静水弯矩和所述波浪弯矩按统计分布规律进行拟合，确定全寿命周期内舰艇船体垂向组合弯矩。
[0057]
本发明的另一目的在于提供一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述
计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行如下步骤：
[0058]
基于舰艇资料，计算垂向静水弯矩；明确静水弯矩的统计特征；根据舰艇航行区域海况统计数据，确定舰艇各海况下的短期波浪弯矩；基于波浪弯矩短期预报值进行长期分析，结合舰艇遭遇概率，明确舰艇全寿命周期内波浪弯矩的统计特征；采用蒙特卡洛数值模拟法将所述静水弯矩和所述波浪弯矩按统计分布规律进行拟合，确定全寿命周期内舰艇船体垂向组合弯矩。
[0059]
本发明的另一目的在于提供一种信息数据处理终端，所述信息数据处理终端用于实现所述常规水面舰艇全寿命周期的垂向组合弯矩数据处理系统的功能。
[0060]
结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：本发明提供的水面舰艇全寿命周期的垂向组合弯矩数据处理方法，相较于规范给出的舰艇垂向组合弯矩计算方法，本技术发明给出的方法既可考虑舰艇的服役海域又能考虑舰艇的航速同时还兼顾了舰艇的失速现象。该方法可以为设计阶段舰艇船体的设计、在在役舰艇船体结构的评估提供精准的载荷效应，能够为舰艇的降航速、调航区服役提供技术支撑，显著提高了经济和军事效益。
[0061]
本发明提出一种体现常规水面舰艇全寿命周期(20年)承受载荷统计规律，且在一定程度上贴近舰艇实际载荷的垂向组合弯矩计算方法，其目的在于指导常规水面舰艇降级、降航速和跨航区使用，并为常规水面舰艇船体结构技术状态评估及船体剩余寿命预测分析研究提供有效的技术支撑。
[0062]
相较于规范的加权法，本技术的优势体现了载荷的随机性和时变性；与turkstra法相比，本技术计算结果的稳定性显著提高；与fbc组合法相比，本技术充分考虑了静水弯矩和波浪弯矩的统计特性和分布规律，结算结果更贴近实际。此外，由于本技术还考虑了舰艇航行海域的信息，应用范围更广，工程实用价值更高。
附图说明
[0063]
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0064]
图1是本发明实施例提供的常规水面舰艇全寿命周期的垂向组合弯矩数据处理方法流程图。
[0065]
图2是本发明实施例提供的水面舰艇全寿命周期的垂向组合弯矩数据处理方法原理图。
[0066]
图3是本发明实施例提供的水面舰艇全寿命周期的垂向组合弯矩数据处理系统结构框图；
[0067]
图中：1、垂向静水弯矩计算模块；2、统计特征获取模块；3、短期波浪弯矩计算模块；4、长期分析模块；5、垂向组合弯矩确定模块。
[0068]
图4是本发明实施例提供的蒙特卡洛数值模拟法计算流程图。
[0069]
图5是本发明实施例提供的舰艇垂向组合弯矩计算流程图。
[0070]
图6是本发明实施例提供的某型号舰艇静水弯矩分布示意图。
[0071]
图7是本发明实施例提供的舰艇的服役海域(中国渤海湾)示意图。
[0072]
图8是本发明实施例提供的舰艇静水弯矩统计情况示意图。
[0073]
图9是本发明实施例提供的舰艇服役海域海况统计示意图。
[0074]
图9(a)是本发明实施例提供的波高-周期联合分布图。
[0075]
图9(b)是本发明实施例提供的周期分布图。
[0076]
图9(c)是本发明实施例提供的波高分布图。
[0077]
图9(d)是本发明实施例提供的浪级分布图。
[0078]
图10(a)-图10(b)是本发明实施例提供的舰艇全寿命周期内以24kn航行时，船舯剖面波浪弯矩统计情况示意图。
[0079]
图11(a)-图11(b)是本发明实施例提供的舰艇全寿命周期内以24kn航行时，船舯剖面垂向组合弯矩统计情况示意图。
[0080]
图12是本发明实施例提供的舰艇的服役海域(中国东海部分海域)示意图。
[0081]
图13(a)-图13(b)是本发明实施例提供的舰艇全寿命周期内以14kn航行时，船舯剖面波浪弯矩统计情况示意图。
[0082]
图14(a)-图14(b)是本发明实施例提供的舰艇全寿命周期内以14kn航行时，船舯剖面垂向组合弯矩统计情况示。
具体实施方式
[0083]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0084]
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种水面舰艇全寿命周期的垂向组合弯矩数据处理方法，下面结合附图对本发明作详细的描述。
[0085]
如图1所示，本发明实施例提供的常规水面舰艇全寿命周期的垂向组合弯矩数据处理方法包括以下步骤：
[0086]
s101，基于舰艇资料，计算垂向静水弯矩；
[0087]
s102，明确静水弯矩的统计特征；
[0088]
s103，根据舰艇航行区域海况统计数据，确定舰艇各海况下短期波浪弯矩；
[0089]
s104，基于波浪弯矩短期预报值进行长期分析，结合舰艇遭遇概率，明确舰艇全寿命周期内波浪弯矩的统计特征；
[0090]
s105，采用蒙特卡洛数值模拟法将s102所述静水弯矩和s104所述波浪弯矩按统计分布规律进行拟合，确定全寿命周期内舰艇船体垂向组合弯矩。
[0091]
本发明实施例提供的水面舰艇全寿命周期的垂向组合弯矩数据处理方法原理图如图2所示。
[0092]
如图3所示，本发明实施例提供的常规水面舰艇全寿命周期的垂向组合弯矩数据处理系统包括：
[0093]
垂向静水弯矩计算模块1，用于基于舰艇资料，计算垂向静水弯矩；
[0094]
统计特征获取模块2，用于明确静水弯矩的统计特征；
[0095]
短期波浪弯矩计算模块3，用于根据舰艇航行区域海况统计数据，确定舰艇各海况
下的短期波浪弯矩；
[0096]
长期分析模块4，用于基于波浪弯矩短期预报值进行长期分析，结合舰艇遭遇概率，明确舰艇全寿命周期内波浪弯矩的统计特征；
[0097]
垂向组合弯矩确定模块5，用于采用蒙特卡洛数值模拟法将所述静水弯矩和波浪弯矩按统计分布规律进行拟合，确定全寿命周期内舰艇船体垂向组合弯矩。
[0098]
下面结合术语解释对本发明的技术方案作进一步描述。
[0099]
船舶垂向组合弯矩：是指船体垂向静水弯矩与波浪垂向弯矩的耦合载荷。
[0100]
常规水面舰艇：除航空母舰、两栖水面舰艇以外的水面舰艇。
[0101]
下面结合具体实施例对本发明的技术方案作进一步描述。
[0102]
实施例1
[0103]
对于船舶垂向组合弯矩的计算，有迭加法、turkstra法和fbc组合法等。
[0104]
迭加法属于确定性方法的范畴，通过引入加权系数将基于规范计算得到的船体静水弯矩和波浪弯矩进行线性迭加，这也是现行规范常用的方法。加权迭加法的计算公式为：
[0105]
mc＝k
sms
k
wmw
[0106]
式中，mc为船体垂向组合弯矩，单位为kn
·
m；ks为静水弯矩载荷因子，ks取1.0；ms为静水弯矩，单位为kn
·
m；kw为波浪弯矩载荷因子；mw为波浪弯矩，单位为kn
·
m。
[0107]
turkstra法认为当静水弯矩和波浪弯矩中的一个达到船舶使用寿命周期内峰值时，另外一个可采用寿命周期内出现的任意值，由此得到垂向弯矩即为船舶垂向组合弯矩，其计算公式为：
[0108]
mc＝max[(m
s(max)
mw),(ms m
w(max)
)]
[0109]
fbc组合法认为船体静水弯矩ms和波浪弯矩mw都是离散的随机过程，由一系列相互独立，且分布相同的随机序列x组成，每个序列xi持续作用时间均为t0。随机序列xi在时间区间[0,tu]内极值x
max
的累积概率分布函数为：
[0110][0111]
假定ms的作用时间为ts，mw的作用时间为tw，显然，ts≥tw。设ts/tw＝m1(m1取整数)，在ts内，静水弯矩ms和波浪弯矩mw线性组合后的峰值为：
[0112][0113]
的累积概率分布函数为：
[0114][0115]
式中，为静水弯矩峰值的概率密度函数；为波浪弯矩峰值的累积概率分布函数。
[0116]
显然，迭加法在计算组合弯矩过程中，没有体现载荷的随机性，这与实际是不符的。turkstra法实质上属于传统确定性方法到随机统计方法的一个过渡方法。虽然一定程度上克服了迭加法的保守性，但该方法不能有效反映载荷极值同时出现的可能性，进而低估最终响应的极值。而fbc组合法虽然在一定程度上提升了turkstra法的计算结果的鲁棒
性，但是由于波浪弯矩和静水弯矩实质上属于不同的分布形式，所以其结果的准确性难以得到有效保证。
[0117]
针对上述方法的不足，本发明提出一种符合舰艇全寿命周期(20年)承受载荷统计规律且计算结果贴近实际、能反映海域特征的针对常规水面舰艇的垂向组合弯矩计算方法。其计算过程如下：
[0118]
(1)静水弯矩的计算
[0119]
根据舰艇相关资料(型线图、重力分布曲线、浮力分布曲线)确定相应装载状态下的静水弯矩，统计舰艇一年内装载情况，明确舰艇静水弯矩的统计特征，如均值、变异系数，概率密度函数、累积概率分布函数。当数据较少，难以统计舰艇一年内装载情况时，则取dnv船级社规范允许的静水弯矩峰值m
s(max)
的60％作为静水弯矩的均值，取偏差平方和的最小值作为变异系数(通常取值范围为0.15～0.35)，分布规律满足正态分布。这种方法得到的垂向组合弯矩考虑了真实载荷的随机性但结果的准确性降低。
[0120]
舰艇全寿命周期内船体静水弯矩的峰值m
s(max)
，其计算公式为：
[0121][0122]
式中，l为设计水线长，单位为m；b为型宽，单位m；cb为方形系数；cw为计及船长影响的计算系数，其计算公式为：
[0123][0124]
静水弯矩分布类型为正态分布，其的概率密度函数及累积概率分布函数的计算公式为：
[0125][0126][0127]
(2)波浪弯矩的计算
[0128]
收集舰艇航行海域的海况统计信息(主要包括：波高、周期等信息)，计算舰艇在统计海域内关注海况下短期波浪垂向弯矩统计短期波浪弯矩的概率密度函数f0(mw)和累积分布函数f0(mw)。
[0129]
在波浪弯矩短期计算结果的基础上，进行波浪弯矩长期预报分析，明确波浪弯矩
统计特征。舰艇在全寿命周期内，波浪弯矩长期概率密度函数f(mw)和累积分布函数f(mw)可根据舰艇不同航速、航向角和海况等级下短期波浪弯矩的加权叠加得到，即：
[0130][0131][0132]
式中，pk(v)值航速的概率，pi(h
1/3
,tz)指海域统计资料中各海况出现的概率；pj(β)指各浪向角发生的概率；为弯矩幅值样本数；为短期波浪弯矩概率密度函数；为短期波浪弯矩累积分布函数。短期波浪弯矩满足瑞利分布。
[0133]
舰艇全寿命周期(20年)内，波浪弯矩最大特征值对应的超越概率po为10-8
。此时，波浪弯矩最大特征值为：
[0134][0135]
式中，α、β为波浪弯矩长期预报值满足weibull分布时的形状系数，可通过拟合得到。
[0136]
(3)垂向组合弯矩的计算
[0137]
采用蒙特卡洛数值模拟法将统计得到静水弯矩、波浪弯矩在分别满足其分布特征的前提下进行统计分析，获取其均值即为舰艇全寿命周期船体垂向组合弯矩值。蒙特卡洛数值模拟法计算流程图见图4，舰艇垂向组合弯矩计算流程图见图5。
[0138]
相较于规范的加权法，本技术的优势体现了载荷的随机性和时变性；与turkstra法相比，本技术计算结果的稳定性显著提高；与fbc组合法相比，本技术充分考虑了静水弯矩和波浪弯矩的统计特性和分布规律，结算结果更贴近实际。此外，由于本技术还考虑了舰艇航行海域的信息，应用范围更广，工程实用价值更高。
[0139]
实施例2
[0140]
针对现有技术的不足或改进需求，本发明提出一种体现常规水面舰艇全寿命周期(20年)承受载荷统计规律，且在一定程度上贴近舰艇实际载荷的垂向组合弯矩计算方法，其目的在于指导常规水面舰艇降级、降航速和跨航区使用，并为常规水面舰艇船体结构技术状态评估及船体剩余寿命预测分析研究提供有效的技术支撑。
[0141]
为达到上述目的，本发明采用如下技术解决方案：
[0142]
一种水面舰艇全寿命周期的垂向组合弯矩数据处理方法，包括以下五个步骤：
[0143]
步骤1，基于舰艇资料，计算垂向静水弯矩；
[0144]
根据舰艇相关资料(型线图、重力分布曲线、浮力分布曲线等)确定相应装载状态下的静水弯矩。
[0145]
优选地，步骤1中，静水弯矩除采用传统的计算方法外，还可运用相关的计算软件进行。
[0146]
步骤2，明确静水弯矩的统计特征；
[0147]
统计舰艇一年内装载情况，明确舰艇静水弯矩的统计特征，如均值、变异系数，概率密度函数、累积概率分布函数。当数据较少，难以统计舰艇一年内装载情况时，则取dnv船级社规范允许的静水弯矩峰值m
s(max)
的60％作为静水弯矩的均值，取偏差平方和的最小值作为变异系数(通常取值范围为0.15～0.35)，分布规律满足正态分布。这种方法得到的垂向组合弯矩考虑了真实载荷的随机性但结果的准确性降低。
[0148]
采用dnv船级社规范允许的静水弯矩峰值m
s(max)
的60％作为静水弯矩的均值的方法，其计算步骤：
[0149]
(a)计算舰艇全寿命周期内，船体静水弯矩的峰值m
s(max)
，
[0150]
船体静水弯矩的峰值m
s(max)
计算公式为：
[0151][0152]
式中，l为设计水线长，单位为m；b为型宽，单位m；cb为方形系数；cw为计及船长影响的计算系数，其计算公式为：
[0153][0154]
步骤(b)：取最大静水弯矩峰值的60％作为静水弯矩的均值，取偏差平方和的最小值作为变异系数。静水弯矩的概率密度函数及累积概率分布函数的计算公式为：
[0155][0156][0157]
步骤3，根据舰艇航行区域海况统计数据，确定舰艇的各海况下短期波浪弯矩；
[0158]
收集舰艇航行海域的海况统计信息(主要包括：波高、周期等信息)，计算舰艇在统计海域内关注海况下短期波浪垂向弯矩统计短期波浪弯矩的概率密度函数f0(mw)和累积分布函数f0(mw)。
[0159]
这里所述的海况统计数据，其特征是指根据舰艇服役海域实际情况或其他资料明确(对于现役舰艇可根据其服役海域海况统计数据，对于设计舰艇即可根据其服役海域海况统计数据亦可根据现有相关的资料)，包括：有义波高hs，单位为m；有义波高hs的发生概率波浪跨零周期tz，单位为s，波浪跨零周期tz的等。
[0160]
优选地，步骤3中，舰艇波浪弯矩除采用理论公式进行计算外，还可采用专业的计
算软件进行。
[0161]
步骤4，基于波浪弯矩短期预报值进行长期分析，结合舰艇遭遇概率，明确舰艇全寿命周期内波浪弯矩的统计特征(均值、变异系数、概率密度函数，累积分布函数)；
[0162]
舰艇在全寿命周期内，其长期概率密度函数f(mw)和累积分布函数f(mw)可根据舰艇不同航速、航向角和海况等级下短期波浪弯矩的加权叠加得到，即：
[0163][0164][0165]
式中，pk(v)值航速的概率，pi(h
1/3
,tz)指海域统计资料中各海况出现的概率；pj(β)指各浪向角发生的概率；为弯矩幅值样本数；为短期波浪弯矩概率密度函数；为短期波浪弯矩累积分布函数。短期波浪弯矩满足瑞利分布。
[0166]
舰艇全寿命周期(20年)内，波浪弯矩最大特征值对应的超越概率po为10-8
。此时，波浪弯矩最大特征值为：
[0167][0168]
式中，α、β为波浪弯矩长期预报值满足weibull分布时的形状系数，可通过拟合得到。
[0169]
步骤5，采用蒙特卡洛数值模拟法将步骤2所述的静水弯矩、步骤4所述的波浪弯矩按其统计分布规律进行拟合，确定全寿命周期内舰艇船体垂向组合弯矩。
[0170]
优选地，步骤5中，蒙特卡洛数值模拟法可通过编辑计算程序进行。
[0171]
本技术所述步骤1、步骤2的顺序不能互换，步骤3、步骤4的顺序不能互换。
[0172]
本技术所述步骤1、步骤3的顺序可以任意互换，步骤1、步骤4的顺序可以任意互换，步骤2、步骤3的顺序可以任意互换，步骤2、步骤4的顺序可以任意互换。
[0173]
实施例3
[0174]
以某型号舰艇的船舯剖面为对象，利用本技术开展设计航速27kn和巡航航速24kn时在其服役海域内垂向组合弯矩的计算。已知该舰服役海域的经纬度范围为：35.25
°
n-41.25
°
n，119.5
°
e-124.75
°
e。
[0175]
本实例包括下述步骤：
[0176]
(1)基于舰艇资料，计算垂向静水弯矩
[0177]
通过查阅该舰艇的型线图，重力、浮力分布曲线等，可得到该舰艇在正常排水量装载状态下不同站位的静水弯矩，具体结果见表1，某型号护卫舰静水弯矩分布见图6，舰艇的服役海域见图7，静水弯矩概率统计及分布，见图8。
[0178]
表1某型号舰艇不同站位静水弯矩(单位：kn
·
m)
[0179][0180]
(2)明确静水弯矩的统计特征
[0181]
通过统计舰艇一年内装载情况，可得到该舰艇静水弯矩的统计特征，具体数据见表2。
[0182]
表2舰艇静水弯矩统计特征
[0183][0184]
(3)根据舰艇航行区域海况统计数据，确定舰艇的各海况下短期波浪弯矩(3.1)统计分析舰艇服役海域的海况数据，如表3所示，数据统计结果见图9。
[0185]
表3舰艇服役海域海况概率分布
[0186]
波高\周期33.253.53.7544.254.54.7555.255.55.7566.256.56.7577.581012sum0.20.0090.0110.0110.0100.0080.0060.0050.0040.0020.0020.0010.0010.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0360.00.0350.30.0080.0130.0200.0270.0280.0240.0180.0120.0080.0050.0030.0020.0010.0010.0010.0000.0000.0000.0000.1050.00.0690.40.0070.0140.0250.0350.0380.0360.0300.0220.0140.0090.0050.0030.0020.0010.0010.0000.0000.0000.0000.1430.00.1000.50.0030.0110.0210.0360.0390.0370.0320.0260.0190.0120.0070.0040.0020.0020.0010.0010.0010.0000.0000.1420.00.1120.60.0010.0050.0140.0260.0360.0340.0300.0250.0190.0140.0090.0060.0030.0020.0010.0010.0010.0010.0000.1200.00.1060.70.0000.0010.0070.0160.0270.0310.0270.0220.0170.0130.0100.0060.0040.0020.0010.0010.0010.0010.0010.0950.00.0920.80.0000.0000.0020.0090.0170.0240.0260.0210.0150.0120.0090.0060.0040.0020.0010.0010.0010.0010.0000.0740.00.0760.90.0000.0000.0000.0030.0100.0160.0210.0200.0150.0110.0080.0050.0040.0030.0010.0010.0000.0000.0000.0570.00.06210.0000.0000.0000.0010.0050.0120.0170.0190.0160.0110.0080.0060.0040.0030.0010.0000.0010.0000.0010.0430.00.0621.150.0000.0000.0000.0000.0010.0060.0130.0180.0190.0150.0100.0070.0040.0030.0020.0000.0000.0000.0010.0410.00.0581.30.0000.0000.0000.0000.0000.0010.0050.0120.0160.0160.0130.0090.0050.0040.0020.0010.0000.0000.0000.0360.00.0501.50.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0010.0050.0110.0160.0160.0120.0080.0050.0030.0010.0000.0000.0000.0300.00.0481.750.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0010.0030.0080.0130.0150.0130.0130.0070.0010.0000.0000.0000.0360.00.03820.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0020.0050.0100.0120.0140.0170.0030.0010.0000.0000.0250.00.0392.50.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0010.0040.0080.0130.0090.0030.0010.0000.0100.00.03030.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0020.0080.0070.0040.0010.0050.00.01740.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0010.0020.0020.0010.00.00450.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.00.00070.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.00.00090.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.00.000110.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.00.000sum0.0290.0560.1000.1620.2080.2290.2260.2050.1760.1460.1160.0920.0710.0630.0550.0280.0180.0110.0081.0010.01.000
[0187]
该舰艇服役海域波高0.4m左右和波浪周期3.5s左右的海浪出现次数最多；波浪周期主要集中于[3.5s，4.75s]范围，平均值为3.8s；波高主要集中于[0.2m，0.7m]范围，平均值为0.5m，；在浪级方面，该海域以2级和3级浪为主，出现2级浪的概率为43％，出现3级浪的概率为47％，出现4级浪的概率为9％，出现更高海况的可能性很小，概率可记为0。
[0188]
(3.2)确定舰艇在各海况下的波浪弯矩，计算过程可采用分析软件进行。可得到舰艇在24kn，船舯剖面在各海况下的短期波浪弯矩，结果见表4。
[0189]
表4船舯剖面短期波浪弯矩计算结果(单位：kn
·
m)
[0190][0191][0192]
(4)基于波浪弯矩短期预报值进行长期分析，舰艇在20年的全寿命周期内遭遇波浪弯矩峰值的概率为10-8
。
[0193]
舰艇在全寿命周期内，其长期概率密度函数f(mw)和累积分布函数f(mw)可根据舰艇不同航速、航向角和海况等级下短期波浪弯矩的加权叠加得到，即：
[0194][0195][0196]
式中，pk(v)值航速的概率，pi(h
1/3
,tz)指海域统计资料中各海况出现的概率；pj(β)指各浪向角发生的概率；为弯矩幅值样本数；为短期波浪弯矩概率密度函数；为短期波浪弯矩累积分布函数。短期波浪弯矩满足瑞利分布。
[0197]
舰艇服役航区海况及浪向相关参数见表5。
[0198]
表5海况及浪向的概率
[0199][0200][0201]
由于计算的是舰艇在确定航速下的波浪弯矩，因此航速对应的概率为1。
[0202]
结合波浪弯矩的短期计算结果及对应海况的概率，可得到该型舰艇在服役海域内的波浪垂向弯矩，具体结果见表6。
[0203]
表6船舯剖面长期波浪弯矩计算结果
[0204][0205]
(5)采用蒙特卡洛(mcs)数值模拟法，将已经得到的静水弯矩(服从正态分布)和波浪弯矩(服从威布尔分布)进行数值模拟，可得到舰艇在全寿命周期内的垂向组合弯矩，具体结果见表7。
[0206]
表7船舯剖面垂向组合弯矩计算结果
[0207][0208]
舰艇全寿命周期内以24kn航行时，船舯剖面波浪弯矩统计情况见图10；舰艇全寿命周期内以24kn航行时，船舯剖面垂向组合弯矩统计情况见图11。
[0209]
对于该算例，可通过军用规范计算船舯剖面垂向组合弯矩具体结果，见表8。
[0210]
表8不同方法得到的船舯剖面垂向组合弯矩计算结果
[0211][0212][0213]
实施例4
[0214]
以实例3中的舰艇为对象，利用本技术开展以航速18kn和航速14kn在其服役东海海域服役时，其船舯垂向组合弯矩的计算。假定该舰艇在东海长期航行海域经纬度范围为：32.25
°
n-35.25
°
n，120.25
°
e-124.75
°
e。
[0215]
本实例包括下述步骤：
[0216]
(1)基于舰艇资料，计算垂向静水弯矩
[0217]
通过查阅该舰艇的型线图，重力、浮力分布曲线等，可得到该舰艇在正常排水量装载状态下不同站位的静水弯矩，具体结果见表1，某型号护卫舰静水弯矩分布见图6，静水弯矩概率统计及分布，见图8，舰艇的服役海域见图12。
[0218]
(2)明确静水弯矩的统计特征
[0219]
通过统计舰艇一年内装载情况，可得到该舰艇静水弯矩的统计特征，具体数据见表2。
[0220]
(3)根据舰艇航行区域海况统计数据，确定舰艇的各海况下短期波浪弯矩
[0221]
(3.1)统计分析舰艇服役海域的海况数据，如表9所示。
[0222]
表9舰艇服役海域海况概率分布
[0223]
h\t22.52.7533.253.53.7544.254.54.7555.255.56781012sum0.10.0010.0020.0020.0020.0010.0010.0010.0010.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0120.20.0000.0020.0040.0100.0090.0090.0070.0050.0040.0030.0020.0010.0010.0010.0000.0000.0000.0000.0000.0590.30.0000.0020.0050.0120.0130.0140.0130.0110.0080.0060.0040.0030.0020.0010.0010.0010.0000.0000.0000.0950.40.0000.0010.0030.0120.0140.0160.0160.0150.0120.0090.0060.0040.0030.0020.0020.0010.0010.0000.0000.1160.50.0000.0000.0010.0060.0130.0160.0160.0150.0130.0110.0080.0060.0040.0030.0020.0010.0010.0010.0000.1170.60.0000.0000.0000.0010.0080.0140.0160.0140.0120.0110.0090.0070.0050.0030.0020.0010.0010.0010.0000.1040.70.0000.0000.0000.0000.0020.0080.0140.0140.0120.0090.0080.0060.0050.0030.0020.0010.0010.0010.0000.0870.80.0000.0000.0000.0000.0000.0030.0090.0130.0120.0090.0070.0050.0040.0030.0020.0010.0010.0010.0000.0700.90.0000.0000.0000.0000.0000.0010.0030.0090.0120.0090.0070.0050.0040.0030.0020.0010.0010.0000.0000.05610.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0010.0050.0110.0120.0090.0060.0040.0030.0020.0010.0010.0000.0000.0561.150.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0010.0050.0110.0110.0080.0050.0040.0020.0010.0010.0010.0000.0511.30.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0010.0050.0100.0100.0070.0050.0030.0010.0010.0000.0000.0441.50.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0010.0040.0090.0110.0100.0060.0020.0010.0010.0000.04520.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0010.0020.0050.0090.0110.0040.0020.0010.0000.0342.50.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0010.0030.0080.0090.0050.0020.0010.03030.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0010.0040.0050.0050.0030.02040.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0010.0010.0030.00550.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.000
70.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.00090.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.000110.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.000sum0.0020.0070.0140.0440.0610.0820.0960.1030.1020.0960.0840.0720.0600.0520.0450.0300.0210.0160.0111.000
[0224]
舰艇在服役海域波高0.5m左右和波浪周期4.0s左右的海浪出现次数最多；波浪周期主要集中于[3.5s，4.75s]范围，波高主要集中于[0.4m，0.6m]范围；在浪级方面，该海域以3级为主，出现3级浪的概率为54.1％，出现2级浪的概率为28.2％，出现4级海况的概率为15.3％，5级及更高海况的可能性较小，概率记为0。
[0225]
(3.2)确定舰艇在各海况下的波浪弯矩，计算过程可采用分析软件进行。可得到舰艇在14kn，船舯剖面在各海况下的短期波浪弯矩，结果见表10。
[0226]
表10船舯剖面短期波浪弯矩计算结果(单位：kn
·
m)
[0227][0228]
(4)基于波浪弯矩短期预报值进行长期分析，舰艇在20年的全寿命周期内遭遇波浪弯矩峰值的概率为10-8
。
[0229]
舰艇在全寿命周期内，其长期概率密度函数f(mw)和累积分布函数f(mw)可根据舰艇不同航速、航向角和海况等级下短期波浪弯矩的加权叠加得到，即：
[0230][0231][0232]
式中，pk(v)值航速的概率，pi(h
1/3
,tz)指海域统计资料中各海况出现的概率；pj(β)指各浪向角发生的概率；为弯矩幅值样本数；为短期波浪弯矩概率密度函数；
为短期波浪弯矩累积分布函数。短期波浪弯矩满足瑞利分布。
[0233]
舰艇服役航区海况及浪向相关参数见表11。
[0234]
表11海况及浪向的概率
[0235][0236]
由于计算的是舰艇在确定航速下的波浪弯矩，因此航速对应的概率为1。
[0237]
结合波浪弯矩的短期计算结果及对应海况的概率，可得到该型舰艇在服役海域内的波浪垂向弯矩，具体结果见表12。
[0238]
表12船舯剖面长期波浪弯矩计算结果
[0239][0240]
(5)采用蒙特卡洛(mcs)数值模拟法，将已经得到的静水弯矩(服从正态分布)和波浪弯矩(服从威布尔分布)进行数值模拟，可得到舰艇在全寿命周期内的垂向组合弯矩，具体结果见表13。
[0241]
表13船舯剖面垂向组合弯矩计算结果
[0242]
[0243]
舰艇在东海海域以14kn航行服役时，船舯剖面波浪弯矩统计情况见图12，船舯剖面垂向组合弯矩统计情况见图13。
[0244]
对于该算例，可通过军用规范计算船舯剖面垂向组合弯矩具体结果，见表14。
[0245]
表14不同方法得到的船舯剖面垂向组合弯矩计算结果
[0246][0247]
规范给出的方法没有明确舰艇的服役海域，这在科学研究和工程应用中势必造成局限性。譬如难以为在役舰艇服役航区的调整，难以精准的为舰艇结构设计和评估等提供技术支撑。显然，针对该舰艇的服役海域，规范给出的方法过于保守，这对于舰艇结构的设计、评估而言，经济和军事效益差。
[0248]
在舰艇航速方面，gjb4000-2000《舰艇通用规范》是没有明确舰艇航速的，这显然是不符合实际的；gjb/z119-99《水面舰艇结构设计计算方法》虽然明确了航速，但要求航速不低于22kn，这导致其难以用于低于22kn航速舰艇垂向组合弯矩的计算。针对规范给出的方法在航速方面的局限性，导致其在科学研究和工程应用具有极大局限性，难以为舰艇的低航速航行状态下船体结构的设计和状态评估提供有效支撑。
[0249]
显然，相较于规范给出的舰艇垂向组合弯矩计算方法，本技术发明给出的方法既可考虑舰艇的服役海域又能考虑舰艇的航速同时还兼顾了舰艇的失速现象。该方法可以为设计阶段舰艇船体的设计、在役舰艇船体结构的评估提供精准的载荷效应，能够为舰艇的降航速、调航区服役提供技术支撑，显著提高了经济和军事效益。
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所述可用介质可以是磁性介质，(例如，软盘、硬盘、磁带)、光介质(例如，dvd)、或者半导体介质(例如固态硬盘solid state disk(ssd))等。
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以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。