奇异积分处理技术在低频声散射数值计算中的应用

针对散射声场的计算问题，将奇异积分处理技术应用于目标的低频声散射的数值计算、理论验模与仿真试验。若果表明，ka＜3时，新方法的仿真结果与解析值以及等价面元近似方法取得了较好的一致；而ka≥3时，新方法的仿真结耙要好于等价面元近似方法。     

双材料中矩形裂纹问题的超奇异积分方程方法

使用超奇异积分方程方法,对双材料空间中垂直于界面的矩形裂纹Ⅰ型问题进行了研究.首先根据双材料空间的弹性力学基本解,使用边界积分方程方法,在有限部积分的意义下导出了以裂纹面位移间断为未知函数的超奇异积分方程.根据裂纹面上位移函数的分布特性,通过将位移间断函数表示为特征函数和一组多项式乘积的形式,为其建立了数值方法.数值结果表明,该方法不仅具有较好的收敛性和较高的数值计算精度,而且能够精确满足裂纹面上的边界条件.在此基础上,对不同材料组合界面对裂纹前沿应力强度因子的影响进行了分析,取得了较好的数值结果.     

边界元法几乎奇异积分计算方法及其在螺旋桨性能预报中的应用

边界元法在奇点接近区域进行影响系数计算时,高斯积分法存在几乎奇异积分,易产生误差,影响数值模拟精度.针对这一问题,采用一种四边形单元上的积分转换为4个三角形分别积分再求和的方法,解析地求得影响系数积分,实现了几乎奇异积分的精确计算.将该方法应用于螺旋桨水动力性能预报,计算了螺旋桨敞水性能和定常、非定常工况桨叶剖面压力分布,并与试验值及其他计算结果进行了比较,取得了较高的计算精度.数值算例表明文中所选用的方法是精确可靠的,对边界元法模拟三维绕流场几乎奇异积分的处理有参考价值.     

基于Rankine源高阶面元法的船舶航行姿态与兴波阻力计算

针对航行船舶的兴波阻力和姿态预报,采用Rankine源高阶面元法求解船舶航行兴波问题。计算时采用叠模线性化自由面条件,对自由面影响系数奇异积分采用源点上置的方法处理,物面奇异积分和立体角则直接求解。就数学船型Wigley、S60和KCS集装箱船的航行兴波阻力与姿态分别进行了数值计算与分析,计算中根据姿态变化重新划分船体湿表面,进行迭代计算,不同航速下的姿态、兴波阻力和船侧波高与试验结果比较,吻合良好,自由面波形真实反映了物理现象,研究表明本文方法能准确地预报船舶航行姿态和兴波阻力,对不同船型和航行速度有着广泛的适用性。     

全方向推进器非定常水动力性能的面元预报方法

研究了全方向推进器非定常水动力性能的面元预报方法,基于螺旋桨面元法建立了全方向推进器的非定常水动力性能计算的数学模型,对全方向推进器的非定常水动力性能进行了数值预报。采用了关于扰动速度势的基本积分微分方程,并采用双曲面元以消除面元间的缝隙。用Newton-Raphson迭代过程在桨叶随边满足压力Kutta条件。在计算面元的影响系数时,应用Morino导出的解析计算公式加快了数值计算的速度。为避免数值求导中的奇异性,用Yanagizawa方法求得物体表面上的速度分布。本文计算结果与日本水池模型试验结果、升力线方法计算结果及升力面方法计算结果进行了对比。     

三维分布源法中面元流体力的积分

三维分布源法广泛应用于各种海洋结构物的波浪载荷计算，其中格林函数及其空间导数沿面元的积分和面元上流体力的计算是十分重要的。本文首先阐述了基于四边形面元几何特性的二重高斯型求积公式。接着讨论了如何应用这一公式计算三维分布源法中面元中心诱导速度和面元流体力积分，给出了相应的算例，最后还导出了适合计算任意形状四边形面元上波浪主干扰力的解析表达式，并利用数值计算结果进行了验证。     

近自由面三维水翼的水动力时域分析

基于格林定理,将Bankine源和偶极子置于边界面上,用时间步进法计算了近自由面条件下的三维水翼的势流场.其中在自由面采用线性自由面边界条件,在尾涡面上采用偶极子布置以满足Kutta条件.影响系数中的奇异积分及非奇异积分都采用一种精确积分的方法计算.文中确定了计算模型和参数,给出了不同航速、展长及浸深下的数值计算结果,并与相关文献结果进行了对比,证实了该方法是一种可靠、有效的时域算法.     

有限水深三维脉动源格林函数数值算法研究

由于柯西主值积分的奇异性和贝塞尔函数的振荡性,有限水深情况下复杂格林函数及其导数的精确数值求解一直是浅水中波浪水动力计算的难点,因此寻找格林函数的精确数值解显得非常重要.通过对格林函数奇异项进行变形推导,文中给出了一种去掉了奇点的新积分形式.另外通过改进前人推导的Gauss-Laguerre积分方法,给出了一种改进的新Gauss-Laguerre积分方法.格林函数及其导数的数值结果显示文中给出的两种新方法可以有效地计算复杂格林函数及其导数值.最后对这两种方法、级数解以及传统的Gauss-Laguerre积分方法的计算精度和效率进行了比较研究,结果显示文中给出的两种方法的计算精度高于传统的Gauss-Laguerre积分方法,但其计算效率低于级数解.但在接近于0的近场附近级数解失真,而文中提出的改进的新Gauss-Laguerre积分方法可以获得正确结果.同时当频率和水深均较大时级数解失真,而文中提出的方法也可以获得正确结果.最后针对这些方法的优缺点,该文提出了建议的策略用于计算有限水深格林函数.     

声辐射边界元的数值计算

采用有限元与边界元方法研究结构的声辐射声场,利用有限元方法求解结构的表面速度分布,作为Helmholtz边界积分方程的边界条件,计算结构辐射的声场。边界积分方程中奇异积分的计算采用非等参单元变换,并采用CHIEF方法对Helmholtz方程的非唯一处理,并通过脉动球源与辐射立方体对仿真计算进行验证,结果表明,采用非等参单元与CHIEF方法计算的结果与理论的结果有良好的一致性。     

含曲线边裂纹桥墩的扭转断裂分析

研究含边裂纹桥墩的Saint-Venant扭转,将问题划归为裂纹上边界积分方程的求解。提出了新的边界元数值方法,对分别含有圆弧边裂纹和直线边裂纹的典型问题进行了数值计算,并与用Gauss-Chebyshev求积法计算的直裂纹情形结果进行了比较,证明了本文公式的正确性和有效性。     

基于速度势迭代的面元法预报对转桨性能

采用基于诱导速度势迭代的面元法预报对转桨的定常水动力性能,在计算中,前桨和后桨的相互干扰通过影响系数实现;前桨尾涡面距后桨表面太近时的异变影响系数通过Lagrange插值求出。同时采用基于诱导速度迭代的面元法预报对转桨水动力性能,并与基于诱导速度势法进行对比,计算结果表明,采用诱导速度势迭代的方法计算的结果与试验值吻合良好。与基于诱导速度迭代的方法相比,计算结果精确,且可以节省计算时间。     

水线源强消弃法在船舶定常兴波计算中的应用

当采用等强度源汇分布法求解线性船舶水动力学问题时,船体的水线源强必须等于零,基于这一假定,杜双兴在基于边界元法的数值计算中,令水线附近面元上的源强为零,且水线积分项也自动消失,称这种方法为"水线源强消弃法".本文应用Kelyin移动兴波源格林函数,研究水线源强消弃法在定常航行船舶的兴波计算中的应用,首先以潜航椭球体为例,对Kelvin移动兴波源格林函数进行了计算和验证,然后分别采用常规面元法和水线源强消弃法,对Wigley船型的兴波阻力、波形及船体压力分布进行了计算及试验比较,另外为了考查水线源强消弃法的工程实用性,最后对一艘SWATH船型的兴波阻力进行了计算.结果表明:与考虑水线单元和水线积分的常规面元法相比,水线源强消弃法能够较好地消除水线积分时格林函数的奇异性所引起的误差,给出的预报结果与试验值吻合更好;另外水线源强消弃法的预报结果受网格划分形式、忽略水线单元尺寸大小的影响,文中的算例表明:忽略10%-15%吃水以上的水线单元能够给出较为合理的预报结果.     

有限水深格林函数及其导数的改进Gauss-Laguerre算法

文中对计算有限水深自由面格林函数及其导数主值积分的Gauss-Laguerre算法进行了两点改进,一是通过约分从被积函数中分离出可由公式直接求解的部分,降低了被积函数其余部分中积分变量的阶数,二是采用无限水深格林函数的主值积分和指数积分相结合的方式来消除被积函数的奇异性,这两点改进不仅极大地改善了被积函数的收敛性,使获得满意精度所需要的高斯积分点数目大大降低,计算效率显著提高,而且解决了传统方法中计算频率较高时计算结果失真的问题.计算结果表明,该改进方法求得的水动力系数和法国BV船级社的Hydrostar软件的计算结果吻合良好.     

Numerical analysis of ducted propeller performance under open water test condition

This paper investigates the open water performance of the Ka-series propellers at various pitch and expanded area ratios in combination with the 19A duct by employing the panel method panMARE and the RANSE code ANSYS-CFX. An efficient method, Caly, is developed in order to generate the 3D-geometry and the surface numerical grid of the ducted propellers. Caly can be coupled with ANSYS-TurboGrid to automatically produce 3D-grids for the RANSE solver. The numerical results are compared with published experimental data and the flow details are concluded and compared. The influences that the grid resolution, the panel arrangements of duct and blade, and the flow in gap between inside wall of the duct and blade tip on the numerical results are studied. Grids verification, turbulence model dependency analysis and Reynolds number scantling are also discussed.     

一种计算SES船尾波(Wash wave)的数值方法

本文提出了一种无限深水中表面效应船(Surface Effect Ship,SES)尾波(Wash wave)数值方法.SES的尾波被表达成分布在气垫上的压力在静水中航行产生的兴波波浪场.在线性势流假设下,该尾波可解析地表示为积分形式,而其被积函数带有奇性并高频振荡.文中提出了一个变换,使变换后对不同的航速,SES船形(气垫形状)和所要计算的波浪场位置尾波计算中的被积函数是单调变化,因而易于数值计算.积分中的奇性也予以去除.数值计算结果表明本文提出的数值方法具有较高的计算效率而且结果与已发表的结果吻合良好.文中给出了一些SES船尾波(Wash wave)的计算结果,并进一步分析了SES尾波(Wash wave)中的局部和非局部波浪场成分.文中还尝试使用本文方法预报常规高速双体船的尾波(Wash wave),结果发现预报与水池测量结果相当吻合.     

高速排水型船舶方尾条件的数值实现

讨论了高速排水型船舶的方尾条件.给出了方尾条件的若干改进形式,其中一种在数值实现方尾条件时显得更加有效和稳定.采用高阶面元法得到的高速船舶相应的兴波计算数值结果令人鼓舞.     

CSSRC的螺旋桨定常面元法

中国船舶科学研究中心(CSSRC)从八十年代至九十年代一直在发展螺旋桨、导管螺旋桨的定常、非定常面元法,现已在为工业服务中作为日常的计算工具,取得了非常满意的结果.本文将CSSRC过去的研究成果作一系统的归纳整理,供今后使用者参考.文中详细介绍了面元法的理论基础、网格划分、Kutta条件的实施等求解过程.同时还系统地进行了数值试验分析,使应用程序进一步规范化.对面元法对网格数的依赖性、收敛性进行了研究,提出了建议的网格数.通过对多个实例产品的计算,表明与试验结果相比误差可在3%以内,可较好地满足工程应用的目的.     

Ultimate strength design of stiffened plates under axial compression and bending

The basis for design of stiffened plates under longitudinal compression is outlined and predictions using several codes are compared against numerical results from an inelastic beam-column formulation and test results. In order to explore the inherent differences in column behaviour separately from discrepancies arising due to plate panel behaviour, the code predictions are re-evaluated adopting a common plate panel effective width formulation. On this basis, a critical review of code methods is made and some modifications are proposed.

The effect of the magnitude and direction of applied uniform bending on the axial capacity of stiffened plates is investigated by comparing two alternative design approaches, namely an interaction equation and a method based on the Perry equation, against results from numerical analyses and from rigid plastic theory. The interaction equation is invariably more conservative than the Perry approach but its simplicity tends to be convenient for routine design applications. Finally, results of numerical analyses, together with experimental results from previous studies, on continuous stiffened plates under combined axial compression and lateral pressure are presented and available design guidance is discussed.