菱形独立液舱晃荡载荷分析及强度评估研究

液化气船菱形独立液舱的设计要求为无装载高度限制,因此菱形独立液舱的结构设计必须重视最为危险的部分装载的工况,并考虑各种载荷。当船体在波浪中运动的频率与液舱内液体振动的固有频率相近时,舱内液体会发生剧烈的运动,此时液体晃荡对液舱结构产生的冲击载荷,在结构设计初期必须予以足够的考虑。以超大型液化气船的一个菱形独立液舱为研究对象,在对船舶固有运动周期和舱内液体的晃荡频率进行评估的基础上,运用二维有限差分法对不同液位高度下菱形独立液舱内部的晃荡载荷进行了研究和计算,获得了舱内液体的运动状态,速度及压力分布,并以此为基础,对菱形独立液舱的结构强度进行了评估,确保了全冷式液化气船菱形独立液舱结构设计的可靠性。     

液舱晃荡对船舶横摇运动影响的数值研究

为了研究加载液舱在船舶航行时舱内液体晃荡对船体横摇运动的影响,对船体外流场(波浪场)与液舱内流场(液体非线性晃荡)分别采用势流理论方法计算,建立了在波浪中船体与液舱流体晃荡耦合的时域运动方程。其中波浪中船体水动力和时延函数采用三维频域法和脉冲响应函数法计算获得,舱内液体非线性晃荡采用时域边界元法计算。对横浪中加载了方形液舱的15000GT集装箱船在不同液舱装载深度工况下,就液舱流体晃荡及其与船体运动耦合分别进行了计算模拟与验证。研究表明,耦合运动模拟结果能清晰地反映液舱晃荡对船体横摇运动的影响,数值结果与试验吻合良好,并具有较高的计算效率。     

基于OpenFOAM的船舶与液舱流体晃荡在波浪中时域耦合运动的数值模拟

波浪中载液船舶运动激励舱内液体的晃荡,舱内液体晃荡产生的冲击力同时作用在舱壁上,进而影响船舶的运动姿态。波浪中船体水动力和时延函数是在势流理论范畴下采用切片法和脉冲响应函数方法计算获得的,液舱内液体非线性晃荡是基于粘性流理论实时计算模拟,两者耦合建立了波浪中载液船舶与液舱流体晃荡耦合的运动方程。论文基于开源CFD开发平台OpenFOAM,自主开发实现了船体运动与液舱晃荡的耦合计算程序,并进行了相应的数值模拟计算和验证工作。该方法完整地考虑了波浪、船体和液舱晃荡之间的耦合作用,并结合船体内外流场特点分别采用了势流和粘性流理论,具有较高的计算效率。通过数值模拟计算和模型实验研究表明,数值模拟计算能够清晰显现出液舱晃荡对船体全局运动影响,船体运动计算结果与模型实验结果吻合良好。     

三维矩形弹性液舱内液体晃荡数值模拟研究

为了解三维弹性液舱内液体晃荡情况,采用ADINA模拟不同激励频率下液舱内液体的晃荡,将所得的结果与解析解进行对比,得到不同载液率下弹性液舱内液体晃荡特点,得到液舱载液率、外界激励等参数变化对液体自由表面运动及晃荡荷载的影响.     

基于Level-set法的液舱液体晃荡数值模拟

船舶液舱中液体晃荡现象已引起人们的深刻关注,液体晃荡载荷与效应成为航行中载液船舶安全性评估的重要内容之一.该文基于Level-set法,对一矩形液舱的两种工况下舱内的液体晃荡进行了数值模拟.通过计算,得到了液面起伏和压强的时间历经,结果显示Level-set方法可有效地模拟液体晃荡问题.     

大型LNG船液舱晃荡载荷数值预报和模型试验比较

大型LNG船液舱晃荡冲击载荷的合理预报是液舱结构安全性设计和评估的基础。针对部分装载的LNG船液舱的晃荡载荷开展数值预报方法研究,建立了合理的数值模型和计算方案。通过典型菱形液舱的三维晃荡模型试验,获得LNG液舱在各种运动模式下流体拍击舱壁的冲击载荷特性。在数值计算和对比分析中,首先对舱内液体在各种运动模式下的晃荡固有频率进行了搜索,然后在各个固有频率下进行了变幅值激励和耦合运动激励下的冲击压力计算,得到了不利运动工况下的冲击压力预报结果。数值模拟结果与模型试验结果的比较表明,提出的液舱晃荡数值计算方法能够合理地预报大型LNG船液舱晃荡载荷特征。在此基础上,对各种载液水平和运动模式下大型LNG船液舱内壁的压力分布进行了详细计算,可供液舱围护系统结构设计和安全性评估参考。     

Investigation of Sloshing and its Effects on Global Responses of a Large LNG Carrier by Experimental Method

液舱中液体晃荡不仅对液舱结构产生内载荷作用,同时也通过与船体运动的耦合对LNG船的波浪载荷产生影响.文章通过某大型LNG船自航模型在波浪中的带液舱运动和波浪载荷试验,研究液舱中液体晃荡特性及其对总体波浪载荷的影响.同时对液舱有水(30%H)状态下的液舱中液体运动周期进行了试验研究,结果发现:在相同排水量和重量分布下,液舱中液体的存在对船体梁垂向振动频率和船体横摇周期都有影响;液舱中液体的运动周期不仅与液舱本身的形状和液面高度有关,还与船模航行时遭遇的浪向以及航速有关;虽然船舶浪向和航速是液舱内液体晃荡对总体波浪载荷产生影响的敏感参数,但总体影响不显著.     

各种激励作用下液舱内液体晃荡的计算与分析

在建立描述流体运动的基本方程及其边界条件的基础上,基于VOF法得到液体晃荡运动的数值计算模型,讨论各种激励作用下刚性液舱内的液体晃荡,并计算分析作用于液舱的晃荡载荷.     

液舱内流体晃荡特性数值研究

本文利用VOF法对矩形液舱内液体晃荡进行数值计算。首先对舱内无任何隔板时液体晃荡作了模拟,并与相关文献中的实验结果进行了比较;然后在舱底中间设置一道不同形式的防晃隔板,对液体晃荡进行了计算。从结算结果看,本文提出的方法可以用于分析液舱内液体的运动和载荷,为设计合理的液舱结构形式提供理论依据。     

基于MSC.Dytran的液舱晃荡分析

液货船发展的关键技术之一是解决液舱内流体的晃荡问题。MSC.Dytran有限元程序能较好的模拟贮液容器的液面晃荡问题。以载液船舶液舱为研究对象,利用MSC.Dytran程序对矩形液舱在一确定装载水平下的液面晃动进行仿真分析,得到了不同时刻舱内液体的液面形状。     

基于ALE有限元法二维液体晃荡的数值模拟

随着各类液货船的不断增加,晃荡现象在船舶与海洋工程领域引起了广泛的关注.文章从不可压粘性流体的N-S方程组出发,运用任意拉格朗日(ALE)有限元法对水平激励下的二维液体晃荡现象进行了数值模拟.首先通过计算值与解析解的比较,验证了数值方法的有效性,进而分析了激励振幅、激励频率对晃荡现象的影响,最后计算了作用于壁面上的力和力矩.     

Effects of excitation angle and coupled heave–surge–sway motion on fluid sloshing in a three-dimensional tank

Sloshing waves in moving tanks is an important engineering problem, and most studies of this phenomenon have focused on tanks that are excited by forcing motion in a limited number of directions and with fixed excitation frequencies throughout the forcing. In practice, the excitation comprises multiple degree of freedom motion that potentially couples surge, sway, heave, pitch, roll, and yaw motions. In the present study, a time-independent finite difference method is used to simulate fluid sloshing in three-dimensional tanks filled to an arbitrary depth for various excitation frequencies and multiple degree of freedom motion. The numerical scheme developed here was verified by rigorous benchmark tests. The coupled motions of surge and sway are simulated for various excitation angles, frequencies and water depths. Five kinds of sloshing waves found under coupled surge–sway motions: diagonal, single-directional, square-like, swirling, and irregular waves. The effect of excitation angle on the frequency responses of different sloshing waves is analyzed and discussed in the present study. Further, the components of horizontal force of various sloshing waves are also presented. The coupled effect of surge, sway and heave motions is also discussed, and the results show that unstable sloshing occurs when the excitation frequency of the heave motion is twice the fundamental natural frequency. Moreover, the effects of heave motion on the different types of sloshing waves are explored. It is found that heave motion causes all of the sloshing waves to change type.     

A fully coupled ship motion and sloshing analysis in various container geometries

In the present study a novel modeling approach is presented to solve the combined internal sloshing and sea-keeping problem. The model deals with interesting effects arising due to the coupled interaction between the sloshing in partially filled containers of several geometries and the ship motion. The study is very important for the liquid cargo carrier operating in rough sea or under different environmental conditions. The resulting slosh characteristics that include transient pressure variation, free surface profiles and hydrodynamic pressure over the container walls have been reported in this study. In addition, the effects of coupled ship response and sloshing on ship motion parameters have also been investigated. The equations of motion of fluid, considered inviscid, irrotational, and partially compressible, are expressed in terms of the pressure variable alone. A finite difference-based iterative time-stepping technique is employed to advance the coupled solution in the time domain. Several parameters of interest, including the container parameters, level of liquid, thrusters modeling and some important environmental factors are investigated.     

多液舱晃荡与船体运动耦合数值研究

针对多液舱养殖工船耐波性数值研究计算量过大的问题，建立了一套耦合数值求解系统。使用脉冲响应函数法求解船体运动方程，基于计算流体力学方法数值模拟液舱晃荡，在时域上离散求解两者的耦合方程。讨论了CFD软件FLUENT的用户自定义函数的编制，验证了横摇回转中心位于重心所在轴线的假设的合理性。为验证计算方法的有效性，在循环水槽中进行了不同载液率下的横摇自由衰减试验。对比数值模拟结果与试验结果，计算的横摇角时历与试验值吻合良好，验证了该方法的有效性，为高效数值研究养殖工船耐波性打下了基础。     

船用同步离合器棘轮棘爪碰撞问题的仿真分析

自动同步离合器是船舶联合动力装置中应用最广泛的同步离合器,棘轮棘爪机构是其中的关键部件.棘轮和棘爪不同转速下的碰撞接触提供同步转速传感和齿形离合器在接合和脱离的轴向力.对其中的棘轮和棘爪的瞬态工作进行动力学分析,为结构设计及试验研究提供充分的依据.结合接触问题的一般求解方法,介绍了利用MSC.Dytran对自动同步离合器中棘轮和棘爪碰撞接触进行仿真分析的过程.     

晃荡对CSR油船设计的影响

为明确船舶营运过程中晃荡载荷对不同船型液货舱构件的影响,基于《散货船和油船结构共同规范》,分析晃荡载荷的形成及决定晃荡载荷的因素,结合纵向和横向晃荡在油船中的具体载荷水平,分析晃荡运动对CSR油船液货舱结构的影响,以VLCC制荡舱壁为优化目标,提出新的设计方案,采用MSC.Patran&Nastran有限元分析软件,论证制荡舱壁局部开孔的可行性。     

频域范围内液舱晃荡对FLNG运动影响的研究

FLNG是一种新型的浮式海洋结构物,其外形与FPSO相似并配备天然气的液化装置以及LNC储罐.FLNG概念的出现使得海上边际油气的开发不再依赖于长距离的管道运输,从而节约了此类油气田的开发成本.文中基于WADAM并针对液舱晃荡与船体运动之间的相互影响进行了频域范围内的研究,在研究过程中将液舱内湿表面包含于船体外湿表面中从而形成一个统一的边界表面.通过计算得出考虑液舱晃荡与忽略液舱晃荡两种情况下的六自由度运动的RAO.对于两种情况下的计算结果进行分析研究,从而得到液舱晃荡对船体运动影响的重要规律.     

Ship motion-sloshing interaction using a field method

Even in relatively calm waters, low amplitude wave-induced motions of an LNG carrier may induce large amplitude liquid sloshing inside the ship's partially filled tanks, and the interaction between ship motions and sloshing may affect the ship's seekeeping properties. A computational procedure, here referred to as the RANS-RANS method, was developed to account for this interaction, and this method was then employed to predict the free surface flow inside the tanks and the corresponding motions of the ship in regular head and beam waves. This method coupled a compressible VoF technique with a generic wave generation and absorption scheme to obtain wave-induced ship motions with and without considering the effects of sloshing in the ship's tanks. Systematic grid studies were performed to obtain a sufficiently fine grid needed to yield converging predictions. The resulting wave patterns, ship motions, and internal sloshing elevations were compared with results obtained from a computational method, here referred to as the RANS-BEM method, that relied on a boundary element method to obtain ship motions. This RANS-RANS method was validated against model test measurements.