楔形与船首外飘剖面的砰击研究（英文）

文章通过分析MLM解析砰击模型,提出了一种更适用于大底升角楔形体砰击的半解析砰击模型。通过采用数值仿真技术对外飘剖面入水问题的研究,指出了现有规范方法存在的不足,并扩展了半解析方法来实现外飘剖面砰击压力峰值系数的预报。在楔形剖面与船首外飘剖面的入水砰击研究中,对比了半解析砰击模型和数值仿真技术的计算结果,验证了半解析方法的可行性。     

船首外飘砰击载荷的数值预报

本文采用显式有限元方法预报船首外飘砰击载荷。通过对比小尺度外飘模型的自由落体砰击试验值和相应的数值模拟结果,验证了该方法在预报船首外飘砰击载荷方面的可行性。针对2种不同结构形式的实船尺度的外飘剖面,预报了剖面在船体与波浪相对运动规律下的砰击载荷,研究了流动分离后的二次砰击现象,并进一步探讨了网格密度和接触刚度参数对不同剖面形式外飘砰击载荷的影响。     

三体船砰击压力数值计算方法研究

基于冯卡门砰击理论的基本思想,对任意形状的二维剖面入水砰击问题进行了数值研究,并且将该数值计算方法应用在了三体船船首底部二维剖面的砰击压力计算中。首先采用源汇分布法对二维剖面在不同入水深度处的附加质量进行求解,进而计算得到附加质量随入水深度的变化。在剖面入水速度已知的情况下,即可求得剖面的砰击压力值。然后以二维楔形体入水砰击为例,采用本文的数值计算方法对不同底部升角的砰击压力系数进行了数值计算。并且将数值计算结果与模型试验数据进行了比较,结果显示在底部升角大于10°的情况下,两者符合良好,从而验证了该数值方法的可行性。最终,利用该方法对三体船船首底部二维剖面的砰击压力进行了研究。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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CFD技术的砰击载荷强度直接计算

研究基于CFD技术的船舶砰击载荷预报及强度的直接计算,以通过对船波相对运动的短期预报得到入水速度极值,由积分变换得到入水速度的时历曲线,以CFD软件实现船体典型剖面入水砰击载荷的计算,得到船体剖面压力的空间分布,结果表明,船体剖面的压力随着位置高度的增加呈减小趋势,最后通过对某集装箱船进行有限元强度评估,验证了本文砰击强度直接计算方法的合理性和实用性。     

Numerical study on the dynamic response of a truncated ship-hull structure under asymmetrical slamming

Dynamic response of ship-hull structure under slamming has tracked widespread attention in the marine structural design. However, our understanding on the dynamic characteristics largely relies on the symmetrical slamming cases. This paper presented a preliminary numerical investigation on the dynamic response of a truncated ship-hull structure under asymmetrical slamming based on the uncoupled CFD-FE method. Asymmetrical slamming loads were predicted through combining the seakeeping analysis and CFD method. In there, three kinds of motions (vertical, horizontal and roll motions) of 2D ship sections were obtained through the seakeeping analysis and then the slamming pressure was predicted through simulating the water entry with various motions based on CFD method. The dynamic response was analyzed through finite element method. Numerical predictions including ship motions, slamming loads and dynamic analysis were validated against published experimental data and numerical calculations. The characteristics of asymmetrical slamming loads were analyzed showing obvious asymmetry in space, and the dynamic characteristic of the ship bow structure was further clarified through discussing the deformation and stress distribution. These results are useful for readers for better understanding the dynamic characteristics of the bow structure under slamming.     

基于显式有限元方法的二维楔形刚体入水砰击载荷并行计算预报

局部砰击载荷是在船舶首部结构设计时重点关注的问题。文章基于显式有限元方法,选用任意拉格朗日—欧拉算法(ALE),针对某30°二维楔形刚体入水砰击问题,开展了数值预报工作。针对模型网格密度开展了收敛性分析。数值预报的加速度、砰击压力等时域结果与已公开发表的模型实验的结果进行了比较,吻合非常好。鉴于在微机上数值计算时间比较长的问题,文中探讨了并行计算技术在模拟中的应用。     

拖航工况下半潜平台撑杆波浪砰击敏感性研究

半潜式平台在拖行过程撑杆等细长结构承受的波浪砰击对结构安全影响较大，相关船级社规范中明确要求结构分析过程中需要考虑波浪砰击载荷。基于传统势流理论的数值方法已经被广泛的应用于浮式海洋平台的水动力和砰击载荷的研究，但是对于复杂的粘性干涉效应、波浪爬升、波浪破碎和波浪砰击等实际工程问题不能够运用势流理论准确模拟。非定常的计算流体力学CFD (Computational Fluid Dynamics)方法能够较为准确解决上述问题。因此，本文以982半潜式海洋平台为研究对象，采用计算流体力学中的动态重叠网格方法和流域体积域方法VOF(volume of fluid)，结合水池物理模型试验结果，对平台在拖行工况下撑杆的波浪砰击进行研究。主要对半潜平台撑杆在三种不同流速和风速的拖航工况下撑杆受到的砰击压力的敏感性进行了分析研究，分析波浪砰击下撑杆的瞬态砰击压强分布情况，得到波浪砰击压力危险区域，同时给出拖航工况下撑杆砰击压力系数的变化规律，为分析预报半潜式平台撑杆在复杂的拖航海况下受到的砰击压力提供了参考。     

基于混合两步法的船舶砰击载荷预报研究

文章针对船舶结构设计时重点关注的艏部砰击载荷问题,综合考虑计算效率及精度,提出了基于势流理论和计算流体力学方法的混合两步法。第一步,采用三维势流理论预报波浪中有航速船舶的运动响应,分析船波相对运动;第二步,根据预报砰击载荷所在位置的船体横剖面,建立等截面的三维立体模型,采用基于有限体积法与动网格技术的计算流体力学方法,基于第一步得到的相对运动结果模拟落体入水过程,计算砰击压力。使用该两步法预报了某超大型油轮在压载工况顶浪航行时候的艏部砰击压力,并讨论了相对运动和砰击压力的时域历程规律。文中数值预报结果得到了水池模型实验的验证,表明该方法的可行性和预报结果的合理性。     

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。     

Efficient calculation of slamming pressures on ships in irregular seas

An efficient method for calculation of the slamming pressures on ship hulls in irregular waves is presented and validated for a 290-m cruise ship. Nonlinear strip theory was used to calculate the ship–wave relative motions. The relative vertical and roll velocities for a slamming event were input to the slamming calculation program, which used a two-dimensional boundary element method (BEM) based on the generalized 2D Wagner formulation presented by Zhao et al. To improve the calculation efficiency, the method was divided into two separate steps. In the first step, the velocity potentials were calculated for unit relative velocities between the section and the water. In the next step, these precalculated velocity potentials were used together with the real relative velocities experienced in a seaway to calculate the slamming pressure and total slamming force on the section. This saved considerable computer time for slamming calculations in irregular waves, without significant loss of accuracy. The calculated slamming pressures on the bow flare of the cruise ship agreed quite well with the measured values, at least for time windows in which the calculated and experimental ship motions agreed well. A simplified method for calculation of the instantaneous peak pressure on each ship section in irregular waves is also presented. The method was used to identify slamming events to be analyzed with the more refined 2D BEM method, but comparisons with measured values indicate that the method may also be used for a quick quantitative assessment of the maximum slamming pressures.     

深海平台砰击载荷的数值分析

文章以深海平台为例,研究在迎浪海况的作用下,波浪对平台的砰击效应.将平台简化为大尺度,深吃水,几何形状规则的刚体,采用计算流体力学中的有限体积方法,将计算区域划分为一系列不重复的控制体积,使每个网格节点周围有一个控制体积,求解离散方程,利用流体体积理论捕捉自由表面的波形.依据三阶斯托克斯波波浪理论,利用fluent软件建立相应的数值水槽,并进行造波及消波设置,得到稳定的波浪场.采用固定平台六自由度的方法,初步地对平台所受的波浪砰击载荷进行分析计算.     

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。     

不同海况下小侧体三体船的艏部结构砰击特性

本文运用CFD软件STAR-CCM+建立三体船在波浪条件下的三维砰击模型,采用重叠网格技术结合船舶六自由度系统模拟船体的砰击运动,对不同波高、波长以及不同航速下的船体砰击进行数值模拟,对比分析各工况下船体结构的运动响应和砰击特征。数值模拟结果表明：航速变化对船体砰击压力有显著影响,而波高和波长的变化对砰击压力影响较小但也不可忽视。