计及水-空气-结构耦合的结构砰击载荷预报方法研究

船舶在恶劣海况下航行时,船体与波浪之间会发生剧烈的砰击现象,严重时会造成船体局部结构损坏或降低船舶总纵强度。随着工业技术的革新和海洋资源开发的需要,当代船舶不断向高速化和大型化发展,船舶发生砰击现象的概率也越来越高。开展结构砰击特性研究,准确地预报结构物的砰击载荷,对船舶航行和人员安全有重要的意义。本文基于水动力学软件Fine/Marine,建立水域-空气域-结构耦合的分析模型,对楔形结构的砰击特性进行数值仿真分析,并研究不同斜升角及不同入水速度对砰击载荷的影响。     

规则波迎浪砰击下三维船体耦合响应研究

船舶在波浪中运动时会发生波浪砰击现象,可能会对船体局部结构产生破坏,造成人员和财产的损失.文中通过计算流体力学分析软件STAR-CCM+和有限单元分析软件Abaqus之间的双向交互耦合,建立了考虑结构变形效应的船体波浪砰击数值模型,对船体在波浪运动中的砰击现象进行数值模拟.将数值结果与文献中试验结果进行对比,整体趋势吻合较好,验证了数值模型的有效性.并针对不同工况下自由液面变化、砰击载荷分布特征和船模结构砰击响应进行分析,当船体在波浪冲击下,自由液面会出现波浪表面破碎等强非线性的砰击现象,同时船首底部及船尾底部会发生砰击现象并随之影响船体相应区域的应力和应变分布特性.     

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。     

船体结构局部强度设计中的砰击载荷确定方法

在分析船舶砰击载荷力学特性的基础上,首先对各种船体砰击载荷设计方法进行比较和开展了压力不均匀系数的研究。然后从工程实用的角度出发,引入和扩展了砰击压力"折减系数"的概念,将砰击压力转化为与结构应力响应等价的均布静压力,使结构仍可按静力强度计算方法来进行设计和校核。在此基础上,提出了船体结构局部强度设计中确定砰击载荷的思路,给出了在砰击载荷作用下各种局部结构强度计算的方法与步骤。通过实例应用和分析,验证了方法的实用性。该方法可应用于船体局部结构的设计实践。     

船体结构砰击总体载荷理论研究综述

船体结构遭受的波浪砰击载荷是一种强非线性的流体与结构之间的相互作用。砰击将导致船体主要按其两节点湿谐振频率发生振动,这种船体梁的总振动即为颤振。它往往引起船体结构的极限强度问题和疲劳损伤问题,这两种问题在船舶结构设计领域不可回避。从理论研究方面对船舶的砰击总体载荷进行综述,分析二维理论和三维理论在预报船体结构砰击总体载荷方面的优缺点。分析表明:虽然二维理论在该领域的应用已超过50年,但理论中基本假设和数学模型的局限性制约了其在肥大型船、多体船和海洋平台等领域的广泛应用;三维理论能突破二维理论的基本假设和数学模型的局限性,能在更加广泛的工程领域内得到应用。考虑外飘等非线性影响的三维时域水弹性理论能更加精确地预报砰击载荷,是船体结构砰击总体载荷理论研究的重要发展方向之一。     

基于DYTRAN的船艏砰击响应仿真分析

船舶在波浪中航行时,由于船体和波浪之间的剧烈相对运动,会出现砰击现象。与波浪发生直接冲撞的船艏是砰击现象发生最严重的区域,会引起局部结构屈曲变形。本文基于有限元软件MSC.PATRAN、MSC.DYTRAN软件,对船艏不同位置的三维船艏入水的过程进行数值模拟分析,研究了船艏结构入水砰击过程中结构响应问题。     

扁平艉型砰击载荷试验研究及结构动态响应分析

针对扁平艉型船舶的艉砰击现象进行了分段模型试验。测量剖面上的垂向弯矩响应,通过频域变换获取砰击弯矩成分,并分析艉砰击对船体梁合成弯矩的影响。基于模型试验测得的砰击压力数据,结合数值仿真计算,获得的压力的时空分布和计算艉部结构在砰击载荷作用下的动态应力响应。研究方法对扁平艉型船舶艉砰击的安全评估具有借鉴意义。     

基于有限元方法的船首底部结构砰击强度分析

船艏底部作为整船中的重要受力区域,船舶航行时,其与波浪会发生相对碰撞,即产生砰击现象,从而对船体的结构安全造成隐患。本文以某型半潜运输船为例,结合中国船级社(CCS)规范,根据Ochi-Mottor理论进行砰击压力极值计算,并采用有限元方法对该型船舶艏部区域的结构强度进行分析。     

双体船砰击载荷数值仿真分析

采用Sesam软件计算出船舶相对运动及砰击瞬时船舶与波浪之间的相对速度,采用FLUENT和MSC. DYTRAN软件计算出船体各点的砰击压力系数,最终计算出不同海况条件下各点的砰击压力,对双体船砰击载荷沿船长及高度方向的分布进行了分析,并讨论结构弹性效应对砰击载荷的影响。     

基于有限元方法的船首底部结构砰击强度分析

船首底部作为全船的重要受力区域,船舶航行时会受到波浪的拍击,即产生砰击现象,从而威胁船体结构的安全。以某型半潜运输船为例,依据中国船级社(CCS)规范,根据Ochi-Mottor理论进行砰击压力极值计算,并采用有限元方法对该型船艏部区域的结构强度进行分析。数值仿真结果表明,船首底部结构受力沿船长向艏呈逐渐变大趋势,符合砰击现象原理。     

砰击载荷作用下船艏结构瞬态响应研究

砰击现象对高速舰船艏部局部结构破坏相当严重,对舰船和人员的安全构成较大威胁,然而由于砰击载荷的瞬态性和强非线性,其计算理论还很不成熟,舰船艏部结构在砰击作用下的应力响应更鲜有人研究。基于此,利用设计波下确定的砰击压力极值,结合以往试验测定的砰击压力随时间的变化关系,计算得到砰击压力的时空分布,然后将其施加在船艏精细有限元模型上,利用中心差分法进行数值计算,并对计算中一些关键参数的设置值做不同尝试,得到了较理想的艏部结构应力响应历程。     

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.     

箱形驳船底部砰击载荷及结构加强要求研究

针对箱形驳船,建立了三维水动力计算模型,对箱形驳船系列在设计海况下的船体与波浪之间的相对运动和相对速度做了短期预报。运用Ochi船舶砰击理论,分析了箱形驳船在不同吃水和拖航速度时船首砰击的发生概率和砰击压力极值等,并讨论了吃水、拖航速度等因素对箱形驳船底部砰击特性的影响。在此基础上,提出了箱形驳船首部砰击加强的临界航速建议,为箱形驳船规范中有关底部砰击载荷的修订提供参考和依据。     

规则波和不规则波中船舶艉砰击及其振动响应的试验研究

在拖曳水池中对某船舶进行了艉砰击及其振动响应的试验研究.在规则波以及不规则波中的零航速、艉随浪情况下观察到了严重的艉砰击现象.试验数据分析表明,合成弯矩可以分成由波浪载荷引起的低频成分以及由砰击载荷引起的高频成分.由于严重艉砰击载荷的作用,发现在某次规则波试验中合成弯矩比波浪弯矩要大出44%,在3.24m不规则波中合成弯矩增加了43%.不规则波中的试验数据统计表明合成弯矩分布范围服从Weibull分布.推导了服从Weibull分布随机变量的短期概率极值预报公式,针对试验数据进行了预报.还讨论了试验数据分析中的不确定性问题.试验研究表明,对于艉部平坦肥大的船舶,在设计和使用中需要引起对艉砰击及其振动响应问题的重视.     

关于船舶规范中计算载荷的分析

本文利用非线性切片理论，以两条不同类型的船舶为例，具体分析了现行规范中关于波浪弯矩、砰击振动弯矩以及弯矩迭加计算时存在的一些问题；指出了在确定计算载荷时应当计及船舶在波浪中的失速，所谓的谐振波不一定就是最危险的规则子波，按动量冲击理论计算以底部砰击为主的船舶是不合适的，不应把波浪弯矩和砰击报动弯矩的最大值简单相加来确定合成弯矩。     

围阱内流体振荡载荷试验研究

很多水面舰船为吊放声呐、潜水系统等特殊设备,设置了围阱结构。舰船航行过程中,围阱随边的壁面将受到底部剪切层的冲击,且围阱内的流体在外部来流和波浪的激励下将发生剧烈晃荡,流体的晃荡运动会对围阱内壁面产生较大的砰击载荷。针对该问题,开展了模型试验,对围阱内剪切层冲击及流体晃荡的载荷进行研究,分析剪切层冲击及流体振荡载荷随流速、围阱开口形式等参数的变化规律,通过对比围阱内不同位置测点的测试结果,确定流体晃荡载荷较大的区域,指导围阱结构设计。     

Some analytical results for the initial phase of bottom slamming

The deformation of boat hull bottom panels during the initial phase of slamming is studied analytically using a linear elastic Euler–Bernoulli beam as a representation of the cross section of a bottom panel. The slamming pressure is modeled as a high-intensity peak followed by a lower constant pressure, traveling at constant speed along the beam. The problem is solved using a Fourier sine integral transformation in space and a Laplace–Carson integral transformation in time. Deflection and bending moment as functions of time and position for different speeds, bending stiffnesses, etc. are given. In particular the effect of slamming load traveling speed on structural response of the simplified bottom structure is investigated. It is found that rather large deflections and bending moments are encountered at certain speeds of the pressure, which suggests that bottom panels may benefit from tailoring their stiffness and mass properties such that loads are reduced. This would vary with boat particulars and operation (deadrise angle, mass, speed, sea state, etc). The importance of the high-intensity pressure peak often encountered during slamming is also studied. It is seen that for relatively slow moving slamming loads the pressure peak has little influence. However, for faster moving loads its influence can be significant.     

海浪统计资料对船舶波浪弯矩设计值的影响

对船舶,特别是超规范船舶,进行结构的直接计算设计时,首先要知道波浪弯矩设计值。 要确切地做到这一点,设计人员应合理地选择船舶航行海域的海浪长期统计资料,然后根据船 舶的装载工况和实际可能达到的航速,借用线性理论或非线性理论进行波浪弯矩的长期预报 来确定设计值。本文就一艘大型集装箱船舶,按五个典型海域的海浪统计资料,对波浪弯矩及 波浪合成弯矩作了长期预报计算,并与 ＩＡＣＳ的统一纵强度要求ＵＲ—Ｓ１１的结果作了比较和 分析,给出了对船舶结构直接计算设计有指导意义的几点结论。     

参数横摇下大型集装箱船外飘砰击的近似计算方法（英文）

Since the research of flare slamming prediction is seldom when parametric rolling happens, we present an efficient approximation method for flare slamming analysis of large container ships in parametric rolling conditions. We adopt a 6-DOF weakly nonlinear time domain model to predict the ship motions of parametric rolling conditions. Unlike previous flare slamming analysis, our proposed method takes roll motion into account to calculate the impact angle and relative vertical velocity between ship sections on the bow flare and wave surface. We use the Wagner model to analyze the slamming impact forces and the slamming occurrence probability. Through numerical simulations, we investigate the maximum flare slamming pressures of a container ship for different speeds and wave conditions. To further clarify the mechanism of flare slamming phenomena in parametric rolling conditions, we also conduct real-time simulations to determine the relationship between slamming pressure and 3-DOF motions, namely roll, pitch, and heave.     

变刚度楔形体板架落体砰击试验研究

通过对具有四种刚度的两个二维楔形体板架的自由落体试验,测量模型入水速度、砰击压力和结构响应,获得模型底部板架在砰击载荷作用下的响应特征;对结构模型在均布静压力作用下的应力响应进行结构力学分析;比较试验和计算得到的应力响应,获得作用在模型肋骨上的砰击压力的折减系数,从而使该结构在设计时仍可按常规的静力计算方法进行强度校核。通过试验,深入研究了折减系数与结构刚度的关系,并指出在船体局部结构设计中应充分注意刚度变化对折减系数的影响。