船舶模型在波浪下的崩溃数值仿真及试验

大波浪因具有巨大波高而会造成船体结构崩溃失效,甚至断裂,准确预报船体结构在波浪下的非线性动态强度已成为船舶结构新的研究方向。提出一种结合三维势流理论和非线性有限元的数值仿真方法,预报船体结构在波浪下的非线性动态强度,三维势流理论用于计算波浪载荷,非线性有限元用于计算船体结构的弹塑性和屈曲变形。为验证数值仿真方法的准确性,开展能在水池条件下产生结构性崩溃的船体模型试验。该模型由左右两端的刚性船体和舯部的屈曲铰结构组成,能在水池波浪的作用下产生崩溃行为,通过屈曲铰结构的崩溃模拟船体梁的弹塑性特征。模型试验重点测试屈曲铰的大转角变形,并对屈曲铰开展四点弯曲试验和仿真,得到屈曲铰的转角与非线性弯矩的关系,进一步转换获得模型的非线性弯矩。结果表明:数值仿真的转角曲线和弯矩曲线与模型试验的结果均有一定的吻合性,经模型试验验证的数值仿真方法可用于评估船体结构在波浪下的非线性动态强度。     

非线性波浪载荷在船舶剖面优化中的影响

采用非线性波浪载荷程序对超大型集装箱船在不同船体梁刚度下垂向波浪载荷响应进行理论计算,分析了船体梁刚度对波浪载荷的影响,并给出民船结构优化模型中非线性波浪载荷的计算方法,对比非线性波浪载荷在船体剖面优化中的影响.计算结果显示,船体梁刚度的下降会导致作用在船体梁上的波浪载荷显著增大,考虑波浪载荷影响后,中剖面面积优化效果...     

超大型浮体结构考虑非线性项的波浪力响应计算

为求解超大型浮体结构波浪响应问题,将其简化成弹性梁板模型。以有限元软件为基础来建立超大型浮体结构的弹性梁板模型,在势流理论的基础上,将速度势分解为入射势、绕射势和辐射势三部分,并利用格林函数法推导出一阶、二阶波浪速度势的表达式。以此为理论基础,编制了相应的计算程序来计算浮体结构所受到的二阶波浪力,最后建立了梁板模型的水弹性响应方程,对非线性波浪力作用下的浮体结构的水弹性响应进行求解分析,并分析了波向对响应振幅的影响。     

Truss Spar平台总体结构强度分析

在南海百年一遇海况条件下,综合考虑风、浪、流载荷的联合作用,在频域范围内计算平台的纵摇和横摇极值响应以及锚缆的张力。根据不同浪向下的结构应力谱分析确定的设计波参数,基于三维势流理论和Morison公式计算一阶波浪力,采用规范推荐的公式计算风、流载荷。在准静力条件下,根据ABS规范推荐的强度准则,针对精细化的混合有限元结构模型进行总体强度分析。     

地质调查船月池结构局部强度评估及优化

采用直接计算法对地质调查船的月池结构强度进行评估。对调查船全船建立有限元模型,并对月池结构进行细化;考虑月池区域局部载荷最大的工况,利用频域内的三维势流理论和设计波法计算地质调查船在各工况下的波浪载荷,同时考虑各工况下月池结构处井架支脚的支反力,进而计算月池结构在不同工况下的应力响应。参考散货船结构强度直接计算分析指南对月池结构强度进行评估,对不满足许用应力标准的结构给出了优化方案并进行了进一步的校核。结果表明,三维势流理论和设计波法为带有月池结构的船舶波浪载荷的计算提供了有效的技术手段,采用直接计算法所得到的评估结果可为该类船舶的设计开发提供参考。     

恶劣海况下船舶砰击颤振响应特性数值计算与试验研究

[目的]针对恶劣海况下船舶所受砰击颤振响应现象,探究船舶非线性波浪载荷与瞬态高幅值砰击载荷的耦合作用。[方法]采用计算流体动力学与有限元方法（CFD-FEM）相结合的双向流固耦合方法对S175集装箱船进行数值仿真计算,并与试验结果及切片理论计算结果进行对比验证;采用分段变截面弹性龙骨梁模型开展船舶的砰击颤振特性模型试验,基于CFD-FEM双向流固耦合方法开展船艏砰击载荷及高频非线性砰击颤振响应特性分析,并与模型试验结果进行对比验证。[结果]结果显示,波浪砰击载荷对船艏颤振响应的影响不可忽视,6级海况下由砰击颤振诱发的二阶高频成分分量占低频波浪弯矩的59.86%。[结论]采用基于CFD-FEM的双向流固耦合方法可准确计算船首砰击颤振响应;在高海况下船舶所受非线性波浪载荷及结构动态响应易受船首瞬态砰击载荷的影响,在船舶结构设计与安全评估中需考虑高频砰击颤振的情况。     

基于谱分析法的大型集装箱船疲劳强度评估

本文采用谱分析法对船舶进行疲劳强度评估,论述了谱分析法的基本原理。以1艘大型集装箱船为例,利用MSC.Patran软件进行全船有限元建模,采用三维线性势流软件Compass-Walcs进行波浪载荷计算,通过PCL语言完成波浪载荷及舱室惯性力的自动加载,结合S-N曲线和Miner线性累积损伤理论对大型集装箱船的典型部位进行疲劳强度评估。     

基于谱分析法的大型集装箱船疲劳强度评估

本文采用谱分析法对船舶进行疲劳强度评估,论述了谱分析法的基本原理.以1艘大型集装箱船为例,利用MSC.Patran软件进行全船有限元建模,采用三维线性势流软件Compass-Walcs进行波浪载荷计算,通过PCL语言完成波浪载荷及舱室惯性力的自动加载,结合S-N曲线和Miner线性累积损伤理论对大型集装箱船的典型部位进行疲劳强度评估.     

二维驳船结构在规则波作用下的高频共振响应研究

基于势流理论建立二维完全非线性数值波浪水槽模型,利用该模型对二维驳船结构在非线性规则波作用下的高频共振响应进行了研究.采用高阶边界元方法解决边界值问题,应用混合欧拉-拉格朗日方法和四阶龙格库塔法模拟结构物与波浪的相互作用,引入虚拟函数法耦合求解波浪载荷与物体运动.计算了浮动驳船结构在规则波作用下的运动,并将数值结果与实验值进行了对比验证.当入射波浪的3倍频等于物体横摇方向固有频率时,物体横摇运动发生的高频共振现象,并分析了其影响因素.基于完全非线性数值波浪水槽模型探究了高频共振响应现象的发生机理,为今后海洋工程结构物的高频共振响应问题做有益探索.     

带阻尼板结构的圆筒型平台波浪载荷预报分析

运用三维势流理论和Morison公式相结合的数值计算方法分析筒型平台的运动响应和波浪载荷特点,采用Morison公式计算平台舭部阻尼板结构的波浪力;对于大尺度结构,波浪载荷采用线性绕射理论进行计算,分析表明,该圆筒型海洋平台的波浪力和运动响应计算结果可直接用于结构设计.     

一种考虑砰击载荷的双体船湿甲板疲劳强度的计算方法

提出一种实用的计算和分析方法来考虑砰击载荷对双体船湿甲板处结构疲劳强度的影响,保证疲劳寿命预报的精度。首先,根据线性理论计算船体与波浪之间的相对运动和相对速度,并计算船体结构在波浪载荷作用下的应力响应;然后,计算湿甲板在砰击载荷作用下的非线性响应,再将线性响应与非线性响应通过方向性进行叠加,得到波浪载荷与砰击载荷联合作用的应力响应时历;最后,通过雨流计数法计算双体船在危险工况下的湿甲板疲劳损伤。研究结果可为考虑砰击载荷的双体船湿甲板疲劳强度评估提供一些参考。     

单点悬挂式结构物水动力性能和结构强度分析

以某单点悬挂式海洋结构物为例,采用数值方法对其水动力性能和结构强度进行分析。建立结构物水动力模型和结构有限元模型,创建附加刚度矩阵模拟悬挂点的约束作用,采用三维频域势流理论和Morison理论计算结构物的水动力性能和波浪载荷。考虑结构物自身重力、浮力、波浪力、惯性力和悬挂点约束力等载荷的作用,采用有限元法分析其结构强度,为悬挂式结构物的设计和计算校核提供参考。     

基于CFD-FEM方法的船舶水弹性计算

随着船舶尺度的增大,船体结构刚度变得越来越小,这意味着波浪激励频率和船体振动固有频率更加接近。准确地评估船体受到的波浪载荷及运动响应对船舶设计和安全性评估有重要意义。论文基于CFD-FEM耦合方法对一艘集装箱船建立水弹性模型并进行了数值计算。通过结构的升沉、纵摇,以及截面弯矩的数值计算和试验结果的比较,验证了该方法的准确性。与传统的势流水弹性方法相比,基于CFD-FEM方法能够充分考虑流场与结构相互作用过程中的非线性因素。对于一定的波长-船长比,当船体梁的固有频率较低时,波浪载荷的非线性强弱对船体梁垂向弯矩响应有较大的影响。     

水深对三体船运动和波浪载荷的影响

利用三维势流理论和简单格林函数计算了迎浪航行时不同航速和不同水深组合下的波浪运动响应和载荷传递函数,研究不同水深和航速组合对三体船的波浪运动响应和波浪载荷的影响,并对船舯垂向弯矩和舯后1/4船长处剪力进行了长期预报.将预报值与规范值进行比较,结果令人满意.计算结果表明三体船在不同水深下航行时,水深对其运动响应和波浪载荷都会产生显著影响.     

基于三维势流理论的耐波性数值预报

准确预报船体运动响应对于砰击等波浪载荷的计算以及合理结构设计具有重要意义。船舶在大幅波浪中的运动呈明显的非线性,而现阶段耐波性预报多采用线性切片方法。三维水动力分析软件 WASIM基于时域势流理论,采用 Rankine面元法预报船舶在波浪中的运动响应,并考虑了多种非线性因素。本文以标模 DTMB5512为对象,采用 WASIM预报其在不同航速下的耐波性,并与基于线性切片理论的计算结果和模型试验结果进行对比。结果表明：利用 WASIM计算得到的船体运动响应比其他方法更接近试验值,合理体现了船舶在风浪中的实际耐波性能。因此,利用 WASIM能够较好地评估船舶在波浪中的非线性耐波特性。     

基于三维势流理论的耐波性数值预报

准确预报船体运动响应对于砰击等波浪载荷的计算以及合理结构设计具有重要意义。船舶在大幅波浪中的运动呈明显的非线性,而现阶段耐波性预报多采用线性切片方法。三维水动力分析软件WASIM基于时域势流理论,采用Rankine面元法预报船舶在波浪中的运动响应,并考虑了多种非线性因素。本文以标模DTMB5512为对象,采用WASIM预报其在不同航速下的耐波性,并与基于线性切片理论的计算结果和模型试验结果进行对比。结果表明:利用WASIM计算得到的船体运动响应比其他方法更接近试验值,合理体现了船舶在风浪中的实际耐波性能。因此,利用WASIM能够较好地评估船舶在波浪中的非线性耐波特性。     

舰船在恶劣海况中非线性波浪载荷与上浪载荷研究（英文）

在恶劣海况中航行的舰船不仅会发生大幅的运动而且还会承受一些非线性波浪载荷,比如上浪与砰击载荷。这些高频的非线性波浪载荷的联合作用(尤其是砰击)会影响船体结构安全。为此,过去几十年里大量学者开展了相关的研究。本文介绍了在中国船舶科学研究中心耐波性水池开展的一条舰船模型的波浪载荷试验研究,研究测量了模型在多工况下的波浪载荷与上浪压力。其次,使用了二维非线性程序(NORS)基于势流理论并考虑非线性对该船在大波高中的波浪载荷开展了数值计算研究。NORS程序能够在时域内考虑瞬时湿表面变化、船体砰击上浪载荷,其计算精度在大量的工程计算中得到了验证。另外,基于试验结果与数值计算结果,分析研究了船体波浪载荷的频率特征、试验结果中上浪载荷变化的特征。本文研究结果可以对该舰船结构强度评估和结构设计起到支撑和指导作用。     

大型船舶推进轴系与船体变形耦合响应分析

船舶大型化使得船体变形对推进轴系的影响越来越突出。在研究大型集装箱船的基础上,采用有限元法探讨了大型集装箱船全船结构有限元模型和推进轴系的建模方法,波浪载荷计算方法以及轴系振动响应分析技术。以一艘8530TEU集装箱船为研究对象,实现了全船有限元分析全过程,对不同工况下推进轴系轴承支撑点处的船体变形进行了计算分析与讨论。采用ANSYS软件建立轴系有限元模型,施加不同的船体变形激励对轴系振动响应进行了分析。研究结果对轴系减振及避振措施具有一定的参考意义。     

港池内中长周期波浪作用下船舶系缆动力响应

针对港池内船舶装卸作业的安全与稳定问题,采用基于势流理论的面元法分析程序AQWA,分析得到船舶与码头结构耦合作用下的14 000 TEU集装箱船动力响应幅值算子。在此基础上,进一步采用码头泊位前的真实波浪条件,得到14 000 TEU集装箱船在设计系缆方式下的船舶运动量响应和缆绳受力响应。结果表明,14 000 TEU集装箱船横摇周期较大,与港池内存在的中长期波(12～18 s)不相匹配,不易引起船舶较大幅度的动力响应;计算分析结果与系泊物理模型试验所得到的结果相吻合,说明所采用的计算原理与分析模型较为可靠,具有较强的工程实际应用价值。     

新型沙漏式FDPSO的典型控制载荷工况分析

针对具有沙漏型浮式主体的新概念FDPSO,根据其浮体模型的特殊结构型式,论文提出了与之对应的有别于传统船舶和海洋平台的新型控制载荷工况。然后,采用基于频域波浪势流理论的边界元数值模拟方法研究了新型沙漏式浮体典型控制载荷的响应幅值算子。在此基础上,通过载荷长期极值预报方法,进行波浪搜索得到一系列设计波组。进一步,根据沙漏型浮体所受波浪载荷和运动RAO,分析了各个典型控制载荷峰值的成因。最后,基于准静态分析方法和浮体有限元模型,对最不利载荷工况下平台结构进行了强度分析,并结合HCSR规范对平台主体结构进行了强度校核,以期能够为新型沙漏式FDPSO的主浮体结构设计提供参考依据和准则。