基于水弹性力学的SWATH船结构振动与噪声分析

文章以三维水弹性力学理论为基础,提出了综合考虑波浪与设备机械激励下的船体结构振动分析方法,并对小水线面双体船的船体振动响应特性进行了分析,预报了该船体的固有频率特性,及在试验工况与航行时受发电机激励下的局部结构振动响应,并与实船测量结果进行了对比。结果表明,该方法对于船体总振动、及船体受机械激励作用下的强迫振动分析预报是有效的,可应用于工程设计。同时,利用水弹性方法对SWATH船在波浪中的辐射噪声与近场噪声进行了预报,数值预报结果与试验进行了对比,表明该方法在噪声分析中也是可行的。     

一型小水线面双体船的水动力性能与结构设计

简要介绍了中国船舶重工集团公司(CSIS)建立和发展的一种小水线面双体船(SWATH)优化设计工程技术系统.主要包括SWATH船型的概念设计、主尺度与线型优化、有效功率预报、纵向运动稳定性校验及稳定鳍设计、耐波性预报、结构载荷评估、波浪中的船体结构动、静响应分析等有关设计、预报与评估的系统方法.并以一型1500吨级小水线面双体型海洋调查船设计和评估为例对有关设计方法进行了说明和验证,在该船设计中,采用线性和非线性三维水弹性理论来预报载荷与评估在波浪中航行船体的结构安全性,同时在中国船舶科学研究中心(CSSRC)的拖曳水池与耐波性水池中进行了阻力与自航、耐波性与操纵性、波浪载荷等船模拖曳及自航试验.文中还给出了该船有关优化设计及模型试验结果.     

水弹性理论与整体弹性船模试验

本文利用水弹性力学理论对整体弹性船模进行了波浪中的运动、加速度和动态应变、波浪弯矩的计算，并与试验结果进行了分析比较，二者吻合良好。从而表明了水弹性力学理论以及整体弹性船模试验技术是可靠的、合理的。     

THAFTS在大型散货船水弹性响应中的应用

随着船舶主尺度的增加,在进行船舶运动与波浪载荷分析时,为了考虑船体弹性变形与流体运动的相互作用,有必要采用水弹性分析方法。采用中国船舶科学研究中心开发的三维水弹性软件THAFTS对大型散货船的水弹性响应进行研究。首先,采用有限元方法分析了船体在真空中的固有频率和振型;然后基于模态叠加原理,计算了船体在波浪中的运动和水弹性响应,并讨论了航速对波浪载荷的影响;最后探讨了波激振动对船体结构疲劳损伤的影响,所得结论对于大型船舶的结构设计具有重要的参考价值。     

高性能船的发展与前景之管见(四)——试论SWATH的运动和控制

评述了SWATH的有关运动特性问题,介绍了自动控制和运动性能评价方面开展的工作,分为三部分:1叙述航态与运动稳定性之间关系。分析SWATH航行时所产生的水动力和纵倾力矩以及SWATH的若干不稳定状态。2讨论SWATH在波浪上的运动,并用模糊数学方法综合评价其耐波性。3介绍主动控制技术的一些情况,阐明SWATH海上运动控制系统应当是波浪载荷减缓系统,并建议采用主动智能控制技术。     

支柱形式对小水线面双体船波浪增阻和运动响应的影响

以小水线面双体船(small water-plane area twin hull, SWATH)为研究对象,基于计算流体力学理论,运用STAR-CCM~+,研究了SWATH的不同支柱形式对其波浪增阻及耐波性能的影响.首先对Delft-372双体船进行数值仿真计算并将运动和阻力增值与试验数据对比,验证了文中计算方法的可行性.之后分别针对不同的支柱间距、支柱斜度及单双支柱形式开展了数值计算,经对比分析发现,SWATH支柱的斜度和间距对其增阻及运动响应有显著影响,为今后SWATH船型设计和优化提供了新的方向.     

顶浪规则波中小水线面双体船纵向运动特性数值分析

基于RANS方程和VOF模型求解船体粘性兴波流场,采用Overset技术处理船体运动,开展了小水线面双体船(Small Waterplane Area Twin Hulls,SWATH)迎浪规则波中运动响应特性及其产生机理的研究.通过数值计算结果与模型试验结果的对比分析,验证了本文方法的有效性;在此基础上,分析了船体运动响应曲线中各峰值产生的原因及片体间相互干扰对SWATH船在波浪中运动响应的影响,发现其中一个峰值出现的原因为遭遇频率接近船体运动固有频率,由此发生共振;另一个峰值的出现则可能与SWATH特殊的船型及附体配置有关.由于SWATH船片体间的水动力干扰效应,SWATH船在波浪中运动响应峰值较单个片体响应峰值明显减小,且出现的位置向低频方向移动.     

基于Level-set法的液体晃荡与弹性液舱耦合作用研究

对基于Level-set法模拟液舱液体晃荡的数值模型进行了改进,实现了对大幅晃荡引起的抨击载荷的模拟.运用水弹性力学理论论述了液体晃荡与弹性液舱耦合作用的分析方法,建立了相应的水弹性力学方程.数值算例与实验结果的比较验证了对抨击载荷模拟的正确性;通过对晃荡载荷引起的结构响应的计算分析,得出一些关于结构响应特性的重要结论.     

船舶波浪载荷预报方法和模型试验研究综述

系统阐述船舶波浪载荷预报的二维、二维半、三维方法以及水弹性力学分析方法,详细分析了完全弹性模型以及分段弹性模型的试验技术,并给出了船舶波浪载荷预报方法和模型试验研究现状和发展趋势。作为一个自然的发展趋势,船舶水动力学的发展方向是从频域转向时域、从切片理论转向完全三维理论、从线性转向非线性以及从势流转向粘流。船舶波浪载荷模型试验目前广泛采用只模拟一阶垂向振动频率的均质梁来开展试验。     

船舶水弹性力学理论的研究进展

船舶水弹性力学理论在过去近三十年中取得了长足的进步,尤其是三维水弹性理论已被广泛应用于船舶与海洋工程领域的流固耦合问题中。全面地回顾了国内外船舶水弹性力学理论及试验研究的历史与现状,将水弹性力学理论分为二维线性、三维线性、二维非线性、三维非线性等几类,以波浪中航行船舶的水弹性力学理论研究与应用为重点,依次进行了介绍。在船舶水弹性试验方面,着重介绍了国内在整体弹性船模试验研究中取得的进展。     

水弹性力学在SWATH船体结构振动响应分析中的应用研究

文章以三维水弹性力学理论为基础,对小水线面双体船的船体振动响应特性进行了分析,预报了该船体在航行时受发电机激励下的振动响应,并与实船测量结果进行了对比,结论表明三维水弹性力学方法在船体受机械激励作用下对于船体振动响应的预报是有效的,可应用于工程设计。     

基于规范载荷的舰船设计海况等级确定方法

针对军用规范载荷难以给出舰船设计海况等级的问题,本文通过三维时域非线性水弹性理论分析了舰船在典型航速、不同海况下的波浪载荷极值与规范载荷之间的对应关系,进而提出了一种明确舰船设计海况等级的方法。以某型舰船为例,基于该方法确定了该型舰船的设计海况等级。研究成果表明：该方法可有效明确舰船规范载荷对应下的设计海况等级,在一定程度上为舰船的安全使用提供参考。     

Hydroelasticity of large container ships

The importance of hydroelastic analysis of large and flexible container ships of today is pointed out for structure design. A methodology for investigation of this challenging phenomenon is drawn up and a mathematical model is worked out. It includes the definition of ship geometry, mass parameters, structure stiffness, and combines ship hydrostatics, hydrodynamics, wave load, ship motion and vibrations. The modal superposition method is employed. Based on the presented theory, a computer program is developed and applied for hydroelastic analysis of a large container ship. The transfer functions for heave, pitch, roll, vertical and horizontal bending and torsion are presented. Rigid body and elastic responses are correlated.     

基于一个二维修正水弹性方法的集装箱船体梁动态前极限强度评估研究

海上极端波因其巨大的波高常常导致船体的极限破坏。该文提出了一个二维的修正水弹性方法来研究一个集装箱船船体梁在极端波中的动态前极限强度。传统的极限强度评估基于准静态方法,没有动态效应被考虑。而船体在波浪下的动态结构响应是基于水弹性方法,传统的水弹性方法并不能计算船体梁的动态非线性强度。该二维修正的水弹性方法考虑时域波浪和非线性船体梁之间的耦合,将水弹性方法和Smith方法结合,用Smith方法计算船体梁的刚度,而其刚度与船体梁的强度和变形曲率有关。所以该时域的非线性刚度被用于修改水弹性方法里的常数项的结构梁刚度。几组极端波模型被用以产生船体梁的大变形和非线性动态垂向弯矩。文中分别采用修正水弹性方法和普通水弹性方法,通过改变四个重要的极端波参数如极端波最大波高、规则波的波高、波速和波长等来研究其对船体梁船中处的大变形转角和非线性垂向弯矩的影响,通过采用修正的水弹性方法计算得来的结果与水弹性方法计算得来的结果相比较,得到了一些差异和结论。     

深水钻井船波浪载荷预报

以两艘钻井船为例,分别计算其波浪载荷传递函数和波浪载荷长期预报值,将计算结果与规范计算值比较,且对其中一艘钻井船计算其不考虑月池开孔时的波浪载荷预报,试图找出钻井船与常规船型的差异,为结构设计人员在钻井船设计方面提供一定的借鉴。     

有限水深中破损船舶的运动与波浪载荷研究

由于有限水深中船舶搁浅和触礁等严重破损事故频发,为了减少事故的发生,对有限水深中船舶破损后的运动及波浪载荷的研究显得十分必要。文章基于三维势流理论,引入有限水深自由面Green函数,在频域内使用奇点分布法对一艘首部破损进水的散货船在有限水深中的运动与波浪载荷展开了计算,并根据劳氏船级社规范做了短期预报。短期预报结果表明,该散货船破损进水后,船体所受垂向和水平波浪弯矩均比破损前有明显增加,且在较浅水深中变化更为显著。     

船行波对双船系靠LNG泊位系泊稳定性的影响

双船系靠LNG泊位对系泊稳定性要求高,而目前尚无船行波对双船系靠泊稳定性影响的定量分析方法。结合工程实例,以Flory-Remery单船系泊船行波荷载计算方法为基础,结合双船系靠泊位的特点予以修正,利用数值分析软件定量分析船行波过程对双船系靠泊位系泊稳定性的动态影响。结果表明,典型系泊条件下,双船系靠泊位系泊倒缆受力及纵移运动量受船行波影响最大,当船行波与系泊船间距50 m时系泊稳定性不满足要求;当船行波与系泊船间距100 m时系泊稳定性满足要求;当船行波与系泊船间距150 m时系泊稳定性基本不受船行波影响。     

Experimental and numerical investigation of fatigue damage due to wave-induced vibrations in a containership in head seas

Fatigue cracks have been known to occur in welded ships for several decades. For large ocean-going ships wave-induced vibrations can, depending on trade and design, cause up to 50% of the fatigue damage. The vibrations may be due to springing and whipping effects. In this paper, we address the fatigue damage caused by wave-induced vibrations in a containership of newer design trading in the North Atlantic. The fatigue damage was obtained both experimentally and numerically. The experimental results were found from tests performed with a flexible model of the ship, while the numerical predictions were done using nonlinear hydroelastic strip theory. The measurements showed that the wave-induced vibrations contributed approximately 40% of the total fatigue damage. The numerical method predicted the wave frequency damage well, but was found to overestimate the total fatigue damage by 50%. This was mainly due to an overprediction of the wave-induced vibrations. The discrepancy is partly related to three-dimensional (3D) effects which are not included in the two-dimensional (2D) slamming calculation, and partly to an overprediction of the springing contribution. Moreover, the numerical method does not account for the steady wave due to forward speed. By using a simplified approach we show that high-frequency damage can be significantly reduced by including the steady wave for the relevant vessel, implying better agreement with the experimental results.     

船型结构物的总纵强度直接简化计算技术研究

从简化载荷施加和力学三维有限元模型的建立上进行了船型结构物的总纵强度直接简化计算技术的研究。直接简化计算技术绕开现代流行却复杂较难实现的设计波方法,借助规范波浪载荷的分布,结合现代数值计算技术,利用数值积分实现波浪载荷的模拟,同时寻求船体静水载荷分布数值化和解决三维粗网格模型的快速模拟,最终实现船型结构物设计载荷的数值模拟和总纵强度的三维设计。文章旨在寻求适合于前期设计阶段的船体结构总纵强度三维设计技术,并有效解决质量分布模拟而引起的一些客观问题,同时突破传统的二维剖面设计中非连续结构参与总纵强度的主观性判断,从工程应用角度快速有效地完成船体结构刚度和强度设计。