波浪作用下三维楔形体入水砰击数值模拟

当船舶航行于恶劣海况时,船舶会发生砰击现象。砰击现象是指船体发生剧烈的摇荡运动导致出水并再次入水,由于船舶入水砰击是瞬态过程,所以会在短时间内产生巨大的砰击压力,造成船体的变形甚至失效,因此准确预报入水砰击压力对保证船舶安全航行和作业具有重要意义。本文建立三维楔形体模型来模拟船首部位,结合有限体积法与动网格技术,引入VOF模型,数值模拟了波浪作用下不同刚度三维楔形体垂直入水的过程。研究发现不同刚度的三维楔形体分别入水的过程中,弹性结构入水砰击压力的峰值要小于刚性结构,弹性效应会一定程度减缓砰击的发生,为今后工程实践提供有价值的参考。     

结构物入水砰击过程数值分析

采用MSC.Dytran软件对二维楔形体入水砰击过程进行数值模拟,分析考虑空气和重力因素的液面变化情况,总结入水速度、入水角度与砰击载荷的关系;对三维刚性船舶尾部结构入水砰击问题进行研究,得到曲率变化对结构砰击载荷的影响规律。     

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。     

船舶球鼻艏的砰击压力曲线以及载荷分布特性

本文以二维楔形体等速砰击入水为引,通过与理论数值及实验数据进行对照,发现精度满足工程需要,然后以此为基础,模拟了自由下落的楔形体的入水砰击响应,同时还选取了一艘油船的球鼻艏进行砰击模拟,将三维砰击问题简化为二维剖面的砰击最后积分得到最终三维球鼻艏的砰击压力时历曲线以及载荷分布特性。     

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.     

三维对称楔形体入水的水弹性力学分析

结构入水砰击是一个很复杂的水弹性力学问题,在船舶与海洋工程领域,人们对其十分关注。本文借助模型试验和商用软件平台Ansys技术,对结构入水砰击过程展开研究。首先,自主设计入水结构模型、试验装置,通过布置在楔形体结构内的传感器,全程实时监测楔形体结构下落的压力变化。然后,基于试验结果,数值模拟了三维弹性楔形体的入水砰击过程。得到了砰击压力云图、等效应力云图以及流体的速度云图,对比分析了弹性体测点与试验中测点的砰击压力,验证了该数值模拟方法的可行性与有效性。     

自由降落式救生艇释放运动研究

为了建立自由降落式救生艇释放运动的模型，分析救生艇释放的运动过程，将其分为下滑、旋转、自由下落和入水4个阶段，对每个阶段进行受力分析，并建立运动方程。在入水阶段，根据切片理论，在求解入水半宽和附加质量时，考虑液面抬升，分别采用动量理论和动能理论计算艇入水时所受砰击力；利用四阶龙格库塔求解救生艇运动模型，将模拟试验的数据与模型试验结果进行对比，结果发现利用动能理论所得的结果与模型试验结果较为吻合。研究结果显示，考虑液面抬升时，利用动能理论计算砰击力能较准确地模拟自由降落式救生艇的入水运动。     

三维球鼻艏入水砰击研究

基于有限体积法的数值仿真方法对三维球鼻艏的入水砰击问题进行了研究.建立包含气水流场的三维有限元模型,研究了入水过程中流场的自由液面的变化、空气层的作用、纵向曲率和纵向速度对入水压力的影响等问题.结果表明,数值计算仿真的方法可以有效的模拟三维球鼻艏入水过程中自由液面和空气层的变化情况,在相同有效冲击角处球鼻艏的纵向曲率对砰击压力也有较大的影响.     

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。     

三维楔形体与圆锥体的砰击压力

基于有限元软件Fluent计算楔形体和圆锥体的入水砰击压力,并与试验结果进行比较,对于砰击压力分布及楔形体入水速度变化过程二者吻合较好。重点研究楔形体长宽比对砰击压力的影响。研究发现,楔形体长宽比对砰击压力影响较大,当楔形体长宽比大于3时,三维楔形体中横剖面的砰击压力计算可近似简化为具有同样剖面的二维楔形体入水问题。楔形体入水角对砰击压力极值的分布有很大的影响,相同入水速度条件下,楔形体的砰击压力极值比圆锥体的砰击压力极值大。     

江海直达船船首入水砰击研究

基于有限体积法的数值仿真方法对3种不同江海直达船船首的入水砰击问题进行了研究。建立包含气、水流场的三维有限元模型,研究了在自由液面的变化、空气层的作用下、不同垂向速度时3种船首入水砰击问题。结果表明,数值计算仿真的方法可以有效地模拟江海直达船船首入水过程中自由液面和空气层的变化情况。在此方法下,相同速度时西瓜首的砰击峰值优于其他船首形式。     

风浪作用下滑落式救生艇入水姿态及砰击载荷研究

针对某滑落式救生艇在风浪作用下抛落入水的问题,研究了风浪环境中不同乘载状态下救生艇空中抛落及入水砰击载荷特性。根据滑落式救生艇的数值模型,利用STAR CCM+软件对满载、前半载、后半载3种乘载状态救生艇抛落和入水过程进行了数值模拟,分析了救生艇姿态角度、速度及砰击载荷特性的变化。研究结果对救生艇乘员生命安全和救生艇结构设计都具有十分重要的参考意义。     

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。     

楔形体入水砰击问题研究与流场结构演变的POD分析

为了研究结构物入水砰击现象,以楔形体为研究对象,进行垂直入水砰击试验,采用时间分辨的粒子图像测速技术(TR-PIV)对楔形体入水砰击流场进行了细致的测量,同时应用流体体积函数法(VOF)和重叠网格技术对这一物理现象进行了相应的数值计算,采用本征正交分解方法(POD)对TR-PIV测量的瞬态结果进行分解,提取流场中含能大尺度的主要流动结构,并依据低阶空间模态进行流场重构。结果表明:本试验装置具有良好的试验可重复性和精确性;楔形体宏观运动响应和TR-PIV测量结果与数值模拟结果吻合较好;POD分解得到的空间模态表明前4阶空间模态占总湍动能的81%,楔形体入水砰击过程中大尺度流动结构从楔形体壁面逐渐向堆积区域转移;低阶POD模态可以很好地重构流场,选择适当的POD模态进行流场重构可以有效去除TR-PIV流场测量结果中的噪声。     

二维楔形体入水砰击的数值仿真

利用MSC.Dytran动力学软件研究了二维楔形体的入水砰击问题。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,其中,流体域用Euler单元来模拟,结构部分用Langrange单元来模拟,采用一般耦合算法,同时计及重力的影响。本文分别对刚体等速入水和弹性楔形体初速度入水进行了数值计算,发现数值仿真的压力结果比理论值略微偏小,而自由液面的变化情况与试验和理论分析基本一致。结果还表明,不同冲击速度下流固耦合效应对弹性结构的动响应有着不同程度的影响。     

二维楔形体人水砰击的数值仿真

利用MSC．Dylran动力学软件研究了二维楔形体的入水砰击问题。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,其中,流体域用Euler单元来模拟,结构部分用Langrange单元来模拟,采用一般耦合算法,同时计及重力的影响。本文分别对刚体等速入水和弹性楔形体初速度入水进行了数值计算,发现数值仿真的压力结果比理论值略微偏小,而自由液面的变化情况与试验和理论分析基本一致。结果还表明,不同冲击速度下流固耦合效应对弹性结构的动响应有着不同程度的影响。     

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。     

自由抛落式救生艇落水冲击响应及可靠性分析

自由抛落式救生艇入水过程开始时,艇体与水面接触瞬间将产生巨大的冲击力脉冲,这一脉冲力有可能造成救生艇内部结构失效.在救生艇入水过程中,存在固、液、气三相的耦合,其过程较为复杂.文中以某救生艇为研究对象,主机配置为380 J,应用有限元分析方法对其入水冲击过程进行数值仿真,分析自由抛落后冲击载荷对艇体的冲击响应.最终得出:最大变形发生在入水时间t=0.35 s,即救生艇开始向水面浮升的时,最大变形量为34.3 mm;最大应力发生在t=0.035s,为95 MPa,应力变化在材料承受范围内,艇身不会被破坏.     

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.