二维楔形体入水问题的数值和实验研究

船舶在极端波浪条件下会产生剧烈的砰击,瞬时产生的巨大作用力会造成船体结构的损坏,因此准确预估入水砰击过程非常重要。本文通过数值和实验,分析楔形体入水过程中运动、受力以及自由表面的变化情况,验证光滑粒子流体动力学(SPH)方法在楔形体入水问题上的适用性和准确性,并使用此方法分析楔形体入水时楔形体斜升角和入水速度的影响。结果表明,光滑粒子流体动力学方法在解决入水问题上有很好的准确性,在楔形体受力和自由表面变形上与实验结果有很好的吻合度。通过计算发现,最大砰击力与楔形体斜升角的三次方成正比,与入水速度的二次方成正比,增大楔形体的斜升角和降低入水速度,都可有效减少入水砰击力。     

基于重叠网格法的结构物入水砰击研究

采用重叠网格法，对楔形体的入水砰击问题进行模拟。将数值计算结果与试验数据比较，验证了该数值方法的有效性；在此基础之上，探究斜升角、初始速度和下落高度对楔形体入水砰击的影响。初始速度和高度对楔形体入水过程中初次砰击压力峰值的影响很大。随着入水深度的增加，气体逸出，出现二次峰值；当斜升角大于等于30°时，最大砰击压力出现在楔形体底端附近。此外，速度对二次砰击峰值的影响要比斜升角的影响大。     

基于ALE算法的无转角和有转角铝制加筋板楔形体水弹性砰击的数值模拟研究

文章采用基于任意拉格朗日—欧拉(ALE)算法的显式有限元技术研究水弹性砰击现象,针对已开展的铝制加筋板楔形体结构入水砰击模型实验,开展了数值模拟比较工作。该楔形体底部斜升角为20度,底部两侧是包含三根纵骨和两根横梁的加筋板结构,两侧结构刚度不同。预报了模型无转角和有转角典型工况的砰击入水过程,得到的入水加速度、底部加筋板结构纵骨应力和横梁响应与模型实验结果吻合较好。研究表明该ALE算法具备模拟船舶局部结构的水弹性砰击流固耦合问题的能力。     

基于OpenFOAM的无转角和有转角楔形体舱段入水砰击载荷数值模拟研究

合理预报船首局部结构砰击载荷是船舶设计和研究者重点关心的问题。文章针对无转角和有转角楔形体舱段入水砰击问题,采用OpenFOAM开源软件,开发了基于两相流求解器InterDyMFOAM数值模拟结构入水砰击的程序包,开展了预报研究工作。数值模拟了入水过程的压力和加速度时域响应历程,与入水砰击模型实验进行了对比分析,吻合很好。同时讨论了网格划分等对结果的影响和砰击的三维效应。结果表明,本文提出的入水砰击载荷预报方法计算效率高,具有推广应用到预报复杂三维船首结构砰击问题的潜力。     

基于船波相对运动的船艏砰击仿真方法

在分析船波相对运动表达式的基础上计算船艏典型剖面的船波相对运动,探讨船艏入水过程中的砰击问题,对比船体某剖面3种入水仿真模型计算所得的砰击载荷,讨论三维外形和航行速度对船艏剖面砰击外载荷的影响。在该分析中,船体在规则波浪中的运动用基于三维势流理论的水动力软件AQWA计算获得,船波相对运动通过理论推导计算获得,用对船艏结构施加强迫运动的方式模拟船波相对运动的真实过程。采用An sys/Ls-Dyna软件的流固耦合分析进行入水仿真,流体划分为ALE体积网格,船艏视为刚体,划分为Lagrange有限元网格。对比结果表明：在三维模型中,相邻剖面引起剖面最大压力点处的液面变化对该点的砰击压力有增大效果,航速有增大剖面砰击压力的作用,减小船艏底部纵向斜升角有利于降低砰击压力。     

基于船波相对运动的船艏砰击仿真方法

在分析船波相对运动表达式的基础上计算船艏典型剖面的船波相对运动,探讨船艏入水过程中的砰击问题,对比船体某剖面3种入水仿真模型计算所得的砰击载荷,讨论三维外形和航行速度对船艏剖面砰击外载荷的影响。在该分析中,船体在规则波浪中的运动用基于三维势流理论的水动力软件AQWA计算获得,船波相对运动通过理论推导计算获得,用对船艏结构施加强迫运动的方式模拟船波相对运动的真实过程。采用An—sys／Ls—Dyna软件的流固耦合分析进行入水仿真,流体划分为ALE体积网格,船艏视为刚体,划分为Lagrange有限元网格。对比结果表明：在三维模型中,相邻剖面引起剖面最大压力点处的液面变化对该点的砰击压力有增大效果,航速有增大剖面砰击压力的作用,减小船艏底部纵向斜升角有利于降低砰击压力。     

船艏自由落体砰击载荷模型试验研究

本文对船艏自由落体砰击载荷进行了模型试验研究,根据不同的落体高度与入水角进行了多次试验,研究了落体高度、入水角等因素对入水速度、砰击载荷及结构响应的影响。研究结果表明:船体入水速度、砰击压力、结构响应等随着落体高度的增大而增大;模型入水过程中,各测量点砰击压力峰值发生时刻存在一定的时间差;结构响应峰值发生时刻也存在一定的时间差;由于斜升角较小,球鼻艏底部的砰击压力峰值最大;外飘区域的砰击压力最大值仅为球鼻艏底部的30%～50%;同一水线面上,从船艏模型艏端向艉端砰击压力峰值逐渐减小;对同一横剖面,外飘下部区域的砰击压力峰值大于外飘上部区域的砰击压力峰值;由于砰击压力对外界影响因素非常敏感,砰击压力与结构响应具有一定的离散性。     

基于OpenFOAM的大型三体船连接桥入水砰击载荷数值模拟分析北大核心CSCD

[目的]旨在探究三体船连接桥落体砰击载荷分布规律。[方法]基于OpenFOAM开源软件以及连续性方程和N-S方程,建立三体船连接桥自由落体入水砰击数值模型,模拟三体船连接桥自由落体入水砰击过程中的速度、砰击压力以及自由液面动态变化,开展网格收敛性分析,验证数值计算方法的正确性,并将数值解与实验值进行对比。[结果]结果显示,所提模型能够有效预报三体船连接桥结构的落体砰击载荷,靠近外折角点的连接桥砰击压力系数最大,得到了连接桥下表面砰击压力峰值及砰击压力系数与速度的关系。[结论]研究给出的三体船连接桥入水砰击压力特性和范围可为三体船结构强度评估与结构设计提供数值基础。     

基于全船建模的航速对船首外飘砰击影响研究

建立二维楔形体入水模型,验证入水砰击仿真方法可靠性,对集装箱船体进行全船体建模,导入船体运动参数,增加船体的纵摇运动,采用一般耦合算法(General coupling),流体域用Euler单元模拟,船体设为刚体,划分为Lagrange有限元网格,对船体进行入水仿真.对比不同工况下的结果表明:全船模拟时船型纵向斜升角会发生变化,导致航速对船首入水砰击压力的影响较大,随着航速的增加,入水砰击压力变大,同时航速还会使砰击压力峰值位置发生变化.     

基于气垫效应的二维楔形体入水砰击载荷预报方法研究

本文对二维刚性楔形体入水砰击问题进行研究,将数值模拟与模型试验结果进行对比分析,验证利用数值模拟方法研究入水砰击问题的可行性.获得气垫效应、斜倾角、入水速度对楔形体入水砰击压力峰值的影响规律,并分析了气垫效应对压力峰值的影响机理.最后对砰击载荷预报方法进行研究,获得不同斜倾角、不同速度下楔形体入水砰击压力峰值的预报公式.     

Prediction of slamming pressure considering fluid-structure interaction. Part II: Derivation of empirical formulations

This is Part II in a series of papers. Part I [1] investigated the slamming responses of flexible flat stiffened steel and aluminum plates using the nonlinear explicit finite element code LS-Dyna with the Multi-Material Arbitrary Lagrangian-Eulerian (MMALE) solver. Subsequently, a simplified finite element FSI model of water hitting structures that is realistically close to the slamming phenomenon occurring on the bottom part of offshore structures was proposed. The proposed FSI methodology presented in Part I was verified by comparison with the relevant test data. It was evident that the use of the proposed numerical method presented in Part I was very effective for a benchmarking investigation of slamming load considering the hydroelastic effect. However, the method required much effort in terms of computation time and power analysis resources. The present study, Part II, aimed, as an alternative to the FSI analysis approach, to develop empirical formulae for prediction of slamming loads acting on deformable flat stiffened plates used in marine applications. This paper begins by describing the limitations of the existing approaches based on theoretical, experimental and even numerical studies conducted in the past for estimation of slamming loads. Next, it presents, based on the simulation methodology developed in Part I, rigorous parametric studies that had been performed on actual scantlings of marine-seagoing structures. The effects of structural geometry and water impact velocity on slamming pressure are then investigated in detail. Subsequently, the parametric results are analyzed and utilized to derive empirical formulations for the prediction of slamming loads acting on flat stiffened plates of marine structures. The accuracy and reliability of the proposed formulations are established by comparison with the results of the test and other existing formulations. The proposed formulations are expected to be used for the purposes of the design without any time-consuming FSI analysis of advanced and optimal structures that are robust to slamming.     

下水式升船机船厢底缘形式研究*

通过比尺为1:20的船厢出入水过程概化物理模型,对下水式升船机船厢主体底缘形式进行系统研究,探讨不同底缘形式的船厢对出入水过程船厢池水面波动、吸附力、拍击力及附加水动力荷载的影响。研究表明：船厢底缘角度的增大可有效降低船厢出水吸附力与入水拍击力,同时考虑到船厢底缘角度的增大会引起船厢质量的增加,提出船厢底缘较优角度为4°。     

Uncertainty due to discretization on the ALE algorithm for predicting water slamming loads

Numerical uncertainty due to discretization on the Arbitrary Lagrangian-Eulerian (ALE) Finite Element method is investigated in the study. The paper quantifies uncertainty using two ITTC recommended methods, and also applies a constant Courant-Friedrichs-Lewy (CFL) number based discretization approach, instead of performing the independent grid and time-based discretization recommended by ITTC. As a case study, water entry of a flat bottom rigid and flexible plate is simulated considering various entry velocities. The total slamming loads and structural responses on both the rigid and elastic bottom plates are predicted and validated against available experimental data. Results indicate that numerical errors due to discretization differ in the various parameters and from case to case. They do affect the analysis of slamming loads and associated structural responses, and the hydroelasticity analysis as well. The hydroelasticity effects on the slamming force generally increase as the entry velocity increases, however, the quantitative results differ much for models with different grids. For example, when the hydroelasticity effect is estimated using the finer model, the deviation of the total slamming force on the elastic plate relative to the one on the rigid body are 56%, 57%, and 63% respectively for the three constant entry velocities, whereas the estimations are −27%, −4% and 3% with the coarser model. The study concludes that the uncertainty due to discretization in ALE is not just case-specific, but also parameter specific. The uncertainty quantification procedures with a constant CFL number based refinement are recommended to investigate the uncertainty comparing to the individual grid and time step study, in particular for the ALE solution where the time step is adjusted automatically as the grid changes. Thus, consideration should be given to updating the ITTC guidelines to incorporate the constant CFL based discretization approach.     

Hydroelastic slamming

An overview of the many water-impact (slamming) problems in ship and ocean engineering is given. Theoretical and experimental drop tests of horizontal and nearly horizontal elastic plates are reviewed. It is shown that maximum pressure cannot be used to estimate maximum slamming-induced stresses when maximum pressure is large, because dynamic hydroelastic effects then become important. Further, the significance of hydroelasticity increases with decreasing dead-rise angle, increasing impact velocity, and increasing the value of the highest local natural period of the structure. It is emphasized that the slamming problem must be hydrodynamically studied from a structural point of view. Comparisons between theory and full-scale measurements of slamming-induced local strains in the wet-deck of a catamaran are presented. The importance of the rigid body vertical accelerations and the influence of the side-hulls on the impact velocity are pointed out. Received: October 4, 2000     

波浪对有梁面板结构冲击作用数值模拟

采用计算机数值模拟方法,在FLUENT软件计算平台上建立了二维规则波数值波浪水槽,对透空有梁面板结构底面受到的波浪冲击作用进行研究。数学模型采用RANS方程和k-ε湍流模型,以VOF方法处理自由表面。通过对不同工况的数值模拟和试验结果比较,验证了模型的造消波性能和应用的有效性。通过计算,得到了波浪冲击过程中波陡、超高和板宽各因素对冲击压强的影响。最后在已有冲击压强计算公式基础上提出了修正公式,以更准确地预报波浪的冲击荷载,深入认识波浪冲击机理。     

基于显式有限元方法的二维楔形体砰击压力系数预报

利用LS-DYNA软件对二维楔形体入水问题进行研究。基于显式有限元方法,选用任意拉格朗日-欧拉算法,建立了包含空气、水和楔形体的完全耦合的二维有限元模型,研究流场的射流现象与压力变化情况,预报了二维楔形体砰击压力系数,并与已公开发表的模型试验结果吻合较好,从而为后续砰击载荷计算提供可靠的方法。     

砰击载荷作用下双体船强度计算方法研究

舰船的砰击载荷与结构响应的研究一直备受关注.对于双体船来说,砰击按部位可分为底部砰击、外飘砰击和甲板上浪,和连接相邻船体的甲板下侧,即湿甲板砰击.目前对于双体船的砰击计算还不完善,因此对于该船型的砰击研究十分必要.本文分别利用规范计算和直接计算的方式,对砰击载荷作用下双体船强度影响进行研究.规范计算主要基于中国船级社规范计算砰击载荷,直接计算则是通过线性势流理论预报船波相对速度,借助相关规范确定砰击压力系数,实现砰击载荷的直接计算.通过有限元软件加载计算,分析比较2种载荷计算方法对双体船强度的影响,以指导砰击载荷作用下双体船局部结构的设计实践.     

平底结构砰击压力的分布

物体以一定的速度撞击水面,会受到水的砰击力的作用.这种砰击压力持续的时间通常很短,但量值有时会很大.本文利用仿真软件对平底刚性结构的入水问题进行了研究,建立了二维有限元模型,对平底结构分别以不同速度等速入水的情况进行了计算.计算发现,在结构入水前瞬间,作用在结构上的压力迅速增大,在到达原静水面位置稍后的位置处达到峰值.压力持续的时间随着结构入水速度的增加而减小;砰击面上的压力分布也不是均匀的,在平底中心处最大,向两侧逐渐减小.作者在对砰击压力的作用时间和在砰击面上的分布情况做了详尽的分析后,导出了砰击压力在砰击面上分布和持续时间的计算公式.     

客滚船首尾部砰击计算研究

客滚船的特殊线型——艏部外飘幅度较大和艉部的扁平肥大型结构,在营运过程中易受到砰击载荷的作用。由于该类船舶砰击问题显著,故一直是业内研究的热点。以某客滚船为例,针对其艏艉结构进行砰击计算,采用计算量适中,且可实现砰击载荷预报的频域法,将砰击载荷映射到相应各部分的有限元计算模型上,经计算分析,得到艏艉结构在砰击压力下的应力结果,最终实现对客滚船砰击强度的安全评估。整个计算探讨过程,可供同类船舶的设计研究人员借鉴。