内应力对结构模态影响理论及数值验证

采用有限元法,从具有内应力的单元物理方程出发,推导出内应力对刚度产生影响,进而建立了内应力对结构模态影响程度的表达式。以二节点杆件为例,通过对比有无内应力情况下刚度矩阵,证实内应力不仅影响结构刚度,进而使结构振动固有频率发生偏离。而且,还会滋生出新的振动模态,验证了内应力影响模态理论的准确性;以焊缝的残余应力作为内应力实例,船体舱段为结构实例,比较不同焊接残余应力水平下结构二阶垂向振动的频率,数值验证了内应力对结构模态的影响。     

Tool for Predicting the Ultimate Bending Moment of Ship and Ship-Shaped Hull Girders

The present paper presents a historical review associated with the research works on hull girder strength of ship and ship-shaped structures. Then, a new program is developed to determine the ultimate vertical bending moment of hull girder by applying direct method, stress distribution method, and progressive collapse analysis method. Six ships and ship-shaped structures used in the benchmark study of International Ship and Offshore Structures Congress (ISSC) in 2012 are adopted as examples. The calculation results by applying the developed program are analyzed and compared with the existing results. Finally, the roles of the developed program and its further development are discussed.     

大跨度桥梁颤振后状态气动稳定性

为了能对大跨度桥梁颤振后主梁的运动形式给出合理解释,选取大振幅下流线型箱梁断面的4种典型非线性气动力工况,基于非线性气动力和非线性振动微分方程,应用四阶龙格-库塔算法,分析了大跨度桥梁主梁在大振幅条件下的气动稳定性. 结果表明:大跨度桥梁主梁在颤振后的不同振幅和折算风速条件下可出现不同的运动形式;若气动力仅做负功或负功显著大于正功,主梁振动将收敛;若气动力仅做正功或正功显著大于负功,主梁振动将发散;若气动力做的正负功相当,主梁振动将由于结构阻尼缓慢收敛;若气动力正功与相同周期内结构消耗的能量相等,主梁将发生等幅振动;若不考虑气动力的非线性项,桥梁振动可能发散.      

薄膜型LNG船船体结构晃荡强度研究

船体结构晃荡强度评估是保证薄膜型LNG船（No96型）安全航行的重要环节.参考一般液货船舶及薄膜型LNG船绝缘层晃荡强度评估方法,结合其自身特点,提出完整的针对No96型LNG船船体结构的晃荡强度评估方法.以某薄膜型LNG船为例进行了晃荡强度评估整个流程计算,并针对膨胀珍珠岩密度展开讨论.     

舰船在水下爆炸载荷下动力响应研究

文章首先建立了舰船水下爆炸过程的力学模型,并利用LS-DYNA 软件进行数值模拟与计算功能,分析了舰船在冲击波载荷作用下的位移、速度、加速度以及应力等响应,为舰船的抗爆研究提供参考     

朝东岩隧道爆破掘进中围岩振动测试与分析

通过对朝东岩公路隧道爆破掘进过程中围岩振动的测试和数据分析 ,结果表明在隧道爆破掘进过程中 ,采用分段控制爆破在围岩中产生振动效应并不随同时起爆的装药量成正比增长 ,振动最大的是掏槽爆破 .不同围岩类别的应力波衰减规律有明显的差异 ,且均可用萨道夫斯基经验公式较好地模拟 .同时在围岩内应力波的频率有明显的变化规律 .实际施工爆破方案优越于理论爆破方案     

折板理论在箱梁动力分析中的应用

本文应用折板理论对箱梁的固有振动进行了探讨，推导出箱梁自由振动运动方程及确定箱梁固有频率的特征方程，经算例验证，结果表明，折板法计算简便，结果可靠，有相当高的精度。     

基于傅汝德-克雷洛夫力非线性法的规则波浪中船舶运动数学模型

为准确预报规则波浪中船舶的运动, 提出基于四叉树划分的自适应网格法, 以生成船舶瞬时湿表面, 在船舶瞬时湿表面上计算傅汝德-克雷洛夫(F-K)力与静恢复力; 对于与波面相交的面元, 由于F-K力在波面处剧烈波动, 采用四叉树划分法进一步细分面元; 基于线性理论, 采用瞬时自由面格林函数在船舶平均湿表面上计算扰动力; 为避免瞬时自由面格林函数在自由液面处剧烈波动产生严重数值误差, 舍去扰动势所满足边界积分方程中的水线项, 并对迎浪前进速度为傅汝德数0.2的WigleyⅠ型船舶进行数值计算。计算结果表明: 对低于瞬时波面以下的船体部分, F-K力非线性法所需面元数更少, 为细网格法的1/4~1/8;除不规则频率外, 舍去与未舍去水线项所得水动力系数与试验值的相对误差分别小于33.4%、54.8%, 因此, 舍去水线项所得水动力系数更接近试验结果; 当入射波波幅为0.018 m, 波长与船长比为1.25时, 采用F-K力非线性法与线性法所得纵摇幅值响应因子的计算结果分别比试验值低3.2%、17.0%, 波长与船长比为2.00时, 采用F-K力非线性法与线性法所得纵摇幅值响应因子的计算结果分别比试验值低6.7%、13.5%, 可见, 采用F-K力非线性法能够准确地仿真规则波浪中船舶的运动。      

型钢加筋构件对船体中板的自由振动影响

根据板、梁构件的几何特性,将其简化为二维板单元和一维梁单元,利用有限元方法进行研究。通过对加筋板中梁的疏密,单元格疏密,梁的形状等算例进行比较,其分析结果能够很好地体现出型材加筋的位置、形状、大小对于船体板的振动影响。     

腹板开孔对轨道交通箱梁振动噪声的影响

实测了城市轨道交通简支箱梁各板件的振动与近场噪声, 结合板件声辐射理论研究了箱梁结构振动辐射噪声和箱梁振动的关系; 基于箱梁结构噪声易产生绕射的低频特性, 计算了矩形混凝土板件在不同开孔工况下辐射的结构噪声变化情况; 在考虑箱梁腹板开孔的基础上建立了车辆-轨道-箱梁耦合有限元模型和箱梁振动-结构噪声有限元-无限元模型, 分析了箱梁腹板开孔前后各板件的振动和结构辐射噪声变化情况。研究结果表明: 箱梁板件声辐射效率随频率的增加并不呈现线性关系, 箱梁各板件近场低频(低于250 Hz) 辐射噪声与结构振动加速度级也并非简单的线性关系, 箱梁辐射噪声由箱梁振动和箱梁各板件声辐射效率共同决定; 对于两端简支的开孔板件, 在开孔率基本一致(0.4%左右) 的情况下, 开孔直径越小, 板件振动辐射噪声声压级越小; 采用有限元-无限元方法模拟箱梁近场低频结构噪声, 既能解决单独采用有限元法时声场边界反射的影响, 也避免了采用有限元-边界元方法时多软件交叉使用的不便; 腹板开孔虽然增加了箱梁板件在某些频率(100~125 Hz) 处的振动响应, 但由于箱梁内、外部声场连通, 使得声短路效应增加, 降低了板件的声辐射效率和相应频段的噪声; 腹板开孔后在1~250 Hz频段内顶板、底板和腹板附近的总声压级分别降低了9.43、2.74和1.63 dB, 从而使箱梁结构噪声得到了控制。      

液化气体蒸气爆炸事故机理研究进展

结合近年来发生的一系列液化气体蒸气爆炸事故，对液化气体蒸气爆炸的事故机理进行了分析．总结了国外的一些实验成果，结合国内的理论研究现状，对储液罐受火焰包围情况、罐体破裂泄漏失效情况和受到冲击振动而引起爆炸的情况进行了机理分析，尤其是针对储液罐在受到冲击振动情况下的爆炸机理进行了详细的阐述，并提出了进一步的研究方向。     

基于NURBS的三维船体曲面重构

针对重大件货仿真系统中船体曲面造型问题，给出了基于NURBS(非均匀有理B样条方法)技术重构船体曲面的主要步骤。对于给定的船舶型值点，用累加弦长参数化方法构造节点矢量，用非均匀有理B样条方法进行横剖线和水线的全局插值，并构造出规整的船体曲面的插值点网格，进而重构出以NURBS为统一数学表达式的船体曲面。仿真结果表明应用NURBS方法重构出的三维船体具有高度真实感。     

Numerical study on bank effects for a ship sailing in shallow channel

A numerical study on bank effects in shallow channels is carried out by using a first-order Rankine source panel method. A container ship sailing along a vertical bank and a sloping bank at different forward speeds, different water depths and different distances between the bank and the ship hull is taken as example. The sway force and yaw moment acting on the hull are calculated and the influences of the speed, water depth and distance between the bank and ship hull on the hydrodynamic force and moment are analyzed. This study can provide insight into the bank effects, as well as to give guidance on ship manoeuvring and control in restricted waterways, which is helpful to the navigation safety.     

半开口和分离边箱开口断面主梁竖向涡振性能对比

为深入研究不同截面形式开口断面主梁的涡振性能及其发生机理，针对半开口和分离边箱开口断面2种主梁，进行了1∶50节段模型风洞试验，考虑等效质量、风攻角和阻尼比等因素的影响，计算了2种主梁断面的斯托罗哈数；基于线性和非线性理论，估算了实桥竖向涡振振幅；建立了二维数值模拟分析模型，验证了数值模拟方法的准确性，并对比了2种主梁断面周围的瞬时涡量和平均流线结构。分析结果表明:2种主梁在风攻角为3°和5°时均发生竖向涡振，且出现2个涡振区，第2个涡振区主梁竖向涡振最大振幅明显大，5°风攻角时2种主梁竖向涡振振幅比3°风攻角时大75%；风攻角为5°，阻尼比为0.8%时，分离边箱开口断面主梁竖向涡振最大振幅比开口断面大28%；随着Scruton数的增大，主梁竖向涡振的最大振幅接近线性减小，相同Scruton数工况下，5°风攻角时分离边箱开口断面主梁竖向涡振振幅最大，3°风攻角时半开口断面主梁振幅最小，说明正风攻角越大，主梁断面越钝，其涡振性能越差；5°风攻角时分离开口断面更钝，引起气流更大的分离，来流风在2种主梁断面的桥面上方和主梁开口处均形成漩涡，由于斜腹板和风嘴作用，主梁开口处尺寸较大的漩涡被打碎为几个尺寸接近的较小漩涡，优化了主梁的涡振性能。      

宽幅分体箱梁涡振性能及其抑振措施

为研究宽幅分体箱梁桥梁涡激振动特性及其相应振动抑制方法,以某主梁总宽度为64.1 m的分体箱梁大跨悬索桥为工程背景,在均匀流场下对1∶70缩尺比节段模型进行了风洞试验. 首先研究了主梁成桥态在0°、± 3°和± 5°五种不同来流攻角下的涡激振动特性;其次,考察了单一气动措施（包括设置水平气动翼板、封闭中央开槽、隔涡网以及检修车轨道导流板）,以及各种组合措施对主梁涡激振动的影响,检验了这些措施对主梁颤振性能的影响. 研究结果表明:宽幅分体式双箱梁在5个风攻角下均发生了竖向自由度涡激共振,其中最不利攻角为–3°,竖向振幅最大值为0.69 m,超过《公路桥梁抗风设计规范》限值的70%;设置隔涡网和采用组合气动措施后,较原始主梁,涡振振幅下降50.7%～98.6%;尽管抑振措施使主梁颤振临界风速降低6%～15%,但仍满足抗风设计要求.      

考虑畸变的起重机薄壁箱梁的自由振动分析

为了提高薄壁箱梁固有频率的计算精确度,基于广义坐标原理,对薄壁箱梁的动力特性进行了分析. 首先,通过虚功原理且考虑畸变形变的影响,获取了5种高度耦合模态（延伸、弯曲、扭转、翘曲和畸变）的自由振动微分方程组;其次,考虑转动惯性运动项的影响,建立了简支边界条件下的运动学模型,获得了薄壁箱形梁自由振动固有频率的四阶代数方程,进而求得固有频率的精确解;最后,通过算例将考虑畸变的固有频率精确解与Proki? 理论以及有限元分析方法的结果进行比较,验证了该方法的有效性和准确性. 结果表明:考虑畸变效应能够更准确地反映高阶状态下薄壁箱形梁的自由振动固有频率;对自由振动的4阶固有频率进行比较,当箱形梁长度为3 m时,本文理论的相对误差相较于Proki? 理论的0.42%下降至0.38%;当箱梁长度分别为4 m和5 m时,相对误差进一步下降至0.30% 和0.40%.      

基于NURBS的船体曲面自适应三角网格剖分

针对面向曲面的三维船体性能计算和真实感图形显示问题,应用NURBS曲线、曲面理论,提出一种新颖的船体NURBS曲面三角形网格自动生成算法,运用四角编码方法和改进的曲面片平坦性检验方法,保证在递归分割船体NURBS曲面时,能够快速有效地分割出四边形网格,在曲面片的高度方向和边界处同时满足给定的精度要求,在此基础上,应用割角剖分算法将一个四边形网格剖分成两个或多个三角形网格。应用结果表明,应用该算法生成的三角形平面片能够较好地逼近船体曲面,避免出现网格间的裂缝,与二叉树、四叉树方法相比,四角编码方法明显节省了时间和空间,提高了算法效率。     

局部气垫双体船阻力性能及片体间距优化研究

基于流体计算软件STAR-CCM＋,使用VOF法模拟自由液面,联立求解N-S方程及运动方程,并结合湍流模型RNGk-ε及DFBI六自由度模型,对局部气垫双体船型阻力性能进行数值模拟计算,计算结果与船模水池试验结果吻合,精度可信,验证了此该数值方案的可行性.在此基础上,针对局部气垫双体船的片体间距对阻力性能的影响进行数值仿真计算,并对结果进行对比分析,得到了不同片体间距下的阻力变化趋势.针对该局部气垫双体船,综合考虑越峰性能及高速段、低速段阻力性能对片体间距进行选取,认为0.34m的片体间距较为合理.文中使用的CFD方法能够有效模拟局部气垫双体船的阻力性能,可用于船型优化设计.     

Prediction of hydrodynamic forces on a moored ship induced by a passing ship in shallow water using a high-order panel method

A three-dimensional high-order panel method based on non-uniform rational B-spline (NURBS) is developed for predicting the hydrodynamic interaction forces on a moored ship induced by a passing ship in shallow water. An NURBS surface is used to precisely represent the hull geometry. Velocity potential on the hull surface is described by B-spline after the source density distribution on the boundary surface is determined. A collocation approach is applied to the boundary integral equation discretization. Under the assumption of low passing speed, the effect of free surface elevation is neglected in the numerical calculation, and infinite image method is used to deal with the finite water depth effect. The time stepping method is used to solve the velocity potential at each time step. Detailed convergence study with respect to time step, panel size and Green function is undertaken. The present results of hydrodynamic forces are compared with those obtained by slender-body theory to show the validity of the proposed numerical method. Calculations are conducted for different water depths and lateral distances between ships, and the detail results are presented to demonstrate the effects of these factors.     

基于三维时域Green函数法的船舶在规则波浪中的运动数学模型

在小时间区域采用级数展开法, 在大时间区域采用渐进展开法, 在大、小时间过渡区域采用精细积分法, 对三维时域Green函数进行数值计算; 采用线性叠加原理求解船舶辐射与绕射问题, 构造出船舶在规则波浪中的运动数学模型, 并采用数值方法计算WigleyⅠ型船舶和S60型船舶以Froude数为0.2迎波浪航行时的水动力系数、波浪激励力与运动时间历程。计算结果表明: 由于不规则频率的影响, 当量纲一频率为1.7时, WigleyⅠ型船舶的垂荡附加质量计算结果比试验结果小44%, 当量纲一频率为2.5时, S60型船舶的纵摇阻尼系数计算结果比试验结果小43%;随着入射波频率的增加, WigleyⅠ型船舶和S60型船舶的水动力系数和波浪激励力的大部分计算结果与试验结果的相对误差小于30%, 且二者的变化趋势一致; 对于WigleyⅠ型船舶, 当波长与船长比为1.25时, 采用三维时域方法计算的垂荡幅值响应因子和纵摇幅值响应因子分别比试验值小11.3%和4.8%, 采用三维频域方法计算的垂荡幅值响应因子比试验值大48.4%, 纵摇幅值响应因子比试验值小48.4%, 当波长与船长比为1.50时, 采用三维时域方法计算的垂荡幅值响应因子和纵摇幅值响应因子分别比试验值小3.0%和11.3%, 采用三维频域方法计算的垂荡幅值响应因子比试验值大9.8%, 纵摇幅值响应因子比试验值小23.6%。可见, 采用三维时域方法能准确地仿真船舶在波浪中的运动时间历程。