船舶波浪载荷预报方法和模型试验研究综述

系统阐述船舶波浪载荷预报的二维、二维半、三维方法以及水弹性力学分析方法,详细分析了完全弹性模型以及分段弹性模型的试验技术,并给出了船舶波浪载荷预报方法和模型试验研究现状和发展趋势。作为一个自然的发展趋势,船舶水动力学的发展方向是从频域转向时域、从切片理论转向完全三维理论、从线性转向非线性以及从势流转向粘流。船舶波浪载荷模型试验目前广泛采用只模拟一阶垂向振动频率的均质梁来开展试验。     

旋转物体的水弹性理论及其应用

本文扩展了现有的三维水弹性理论，形成了适用于流体中既有航速又有转速的物体三维水弹性理论。据此理论研究了船舶螺旋桨叶片振动问题，理论分析、数值计算及试验结果有良好的一致性，表明本文理论和计算机程序的正确性和实用性。     

利用Rankine源方法进行三维时域水弹性分析

船舶工程不断发展,波浪载荷预报在船舶设计、船舶航行安全等方面发挥着越来越重要的作用。由于新型复合材料的广泛应用,传统二维预报方法逐渐表现出局限性,为了解决存在的问题,研究人员提出了三维水弹性预测方法。本文对Rankine源方法应用于三维时域水弹性分析的可行性进行研究。     

航行船舶的三维非线性水弹性分析

基于Wu提出的浮体二阶水弹性理论[1],研究大浪中航行船舶的非线性水弹性响应,给出了数值方法和计算结果.在二阶水弹性分析中,主要考虑了大角度刚体转动和瞬时湿表面变化引起的非线性水动力.根据三维线性水弹性理论[2],采用移动脉动源格林函数和Kelvin定常兴波假定,求解了对二阶水动力做主要贡献的一阶速度势及响应.最后以航行于不规则波中的小水线面双体船为例,讨论了航速和定常兴波流场对水弹性响应的影响,并对线性和非线性响应的预报结果进行了比较.     

结构刚度变化对船舶水弹性响应的影响

水弹性力学是研究水动力、惯性力和弹性力之间相互作用的力学分支。本文利用三维线性频域水弹性程序计算了某船在单位幅值正弦规则波中的水弹性响应 ,在结构质量分布不变的前提条件下 ,研究了结构刚度变化对结构水弹性响应的影响 ,得到了一些很有价值的结论。     

小方型系数船舶的船体波浪载荷综合研究

从船级社规范对于不符合主尺度比要求的船舶船体梁波浪载荷的规定出发,采用理论预报和船模试验2种综合方式,进行了小于0.6方型系数、高航速、高海况目标船的波浪载荷研究。从规范对波浪载荷的线性理论预报值进行的非线性修正,修正后中拱和中垂波浪弯矩绝对值之和与线性理论预报极值全幅值相等出发,阐述所研究船特殊主尺度比下的模型试验结果、三维非线性水弹性理论预报结果显示出的波浪载荷非线性行为;同时综合模型试验与理论预报的共同规律,研究不同波高、航速、浪向等非常规船型船体波浪载荷的强非线性行为,从而认为规范基于的线性理论预报值进行非线性修正的统一规定太过笼统,进而建议规范对波浪载荷的非线性修正予以进一步的明确区分和规定。     

船舶对称响应的非线性水弹性微分分析法

本文给出了一个预报波浪诱导的船舶垂向运动和结构总体动响应的非线性时域水弹性力学微分分析法，这一理论是控制论的分析方法应用于船体与流体非线性相互作用研究领域的尝试，其流固耦合系统的非线性时域水动作用过程（含记忆效应）由一阶非齐次偏微分方程组来描述，理论预报与Ｓ１７５弹性材料船模型实验比较，结果令人满意。     

小方型系数船舶的船体波浪载荷综合研究

从船级社规范对于不符合主尺度比要求的船舶船体梁波浪载荷的规定出发,采用理论预报和船模试验2种综合方式,进行了小于0.6方型系数、高航速、高海况目标船的波浪载荷研究.从规范对波浪载荷的线性理论预报值进行的非线性修正,修正后中拱和中垂波浪弯矩绝对值之和与线性理论预报极值全幅值相等出发,阐述所研究船特殊主尺度比下的模型试验结果、三维非线性水弹性理论预报结果显示出的波浪载荷非线性行为;同时综合模型试验与理论预报的共同规律,研究不同波高、航速、浪向等非常规船型船体波浪载荷的强非线性行为,从而认为规范基于的线性理论预报值进行非线性修正的统一规定太过笼统,进而建议规范对波浪载荷的非线性修正予以进一步的明确区分和规定.     

极大型海洋浮体结构的流固耦合分析

本文研究了两种多模块极大型海洋浮体结构的流固耦合问题。采用弹性连接多刚体系统模型，利用三维线性水弹性力学理论，获得了系统在各种浪向下运动和连结件动应力响应的理论预报。     

基于水弹性方法的船体非线性波浪载荷预报

文章介绍了三维水弹性方法的基本原理,引进了一种三维非线性水弹性方法的数值算法。该算法以三维水动力理论为基础,充分考虑各种非线性效应,包括静水恢复力的非线性、物面非线性以及砰击力的作用,结合水弹性方法建立船体运动方程,并对船舶在波浪中运动受到的载荷进行预报。计算工况根据设计波法来确定,预报结果与线性计算结果进行了对比,差异主要体现在弹振和砰击方面。     

不同海况下艏部砰击及鞭状效应的试验与数值分析

为了更深入地研究船舶的鞭状效应,在拖曳水池中对某船进行了艏部砰击及鞭状效应分段模型试验研究。提出了一种可以考虑砰击力的非线性水弹性计算方法。并改进了传统的分段模型,采用变截面梁对船体刚度进行模拟以更好地接近实船。在规则波迎浪下观察到了严重的艏部砰击现象。试验数据表明,当波高从5.6m增大到21m时,由于鞭状效应原因,总弯矩相比低频波浪弯矩的增大值从24.64%增长到92.02%。最后,将不同海况下的测量结果与基于线性与非线性水弹性理论的计算结果进行了比较分析,初步验证了文中方法和程序在预报船体波浪载荷中的适用性。     

基于一个二维修正水弹性方法的集装箱船体梁动态前极限强度评估研究

海上极端波因其巨大的波高常常导致船体的极限破坏。该文提出了一个二维的修正水弹性方法来研究一个集装箱船船体梁在极端波中的动态前极限强度。传统的极限强度评估基于准静态方法,没有动态效应被考虑。而船体在波浪下的动态结构响应是基于水弹性方法,传统的水弹性方法并不能计算船体梁的动态非线性强度。该二维修正的水弹性方法考虑时域波浪和非线性船体梁之间的耦合,将水弹性方法和Smith方法结合,用Smith方法计算船体梁的刚度,而其刚度与船体梁的强度和变形曲率有关。所以该时域的非线性刚度被用于修改水弹性方法里的常数项的结构梁刚度。几组极端波模型被用以产生船体梁的大变形和非线性动态垂向弯矩。文中分别采用修正水弹性方法和普通水弹性方法,通过改变四个重要的极端波参数如极端波最大波高、规则波的波高、波速和波长等来研究其对船体梁船中处的大变形转角和非线性垂向弯矩的影响,通过采用修正的水弹性方法计算得来的结果与水弹性方法计算得来的结果相比较,得到了一些差异和结论。     

小水线面双体船波浪载荷水弹性分析

三维水弹性力学将结构分析的有限元方法与围绕柔性体的势流理论结合起来,为在波浪中航行或驻立的复杂结构的运动和内力分析提供了一个流固耦合的统一分析方法,也为小水线面双体船的分析提供了有效的分析工具.文中将水弹性力学方法和谱分析方法相结合,对1 100吨SWATH船进行波浪载荷预报,并将计算结果与水池模型试验数据及国外相关资料进行了对比,说明了水弹性分析方法对于SWATH设计的合理性.     

基于模型试验与三维水弹性理论的船舶波激振动响应研究

船体波激振动使得船体结构中产生高频、持续和具有一定幅值的振动应力,可能引起结构发生严重的疲劳损伤,因而对船舶结构的安全性带来严峻的挑战。文章以一艘大型LNG船为研究对象,采用三维线性水弹性理论与水池模型试验方法对船舶波激振动响应进行了比较分析,研究了规则波与不规则波中的波激振动特性。改变该LNG船的刚度,并保持船型、重量分布等其它主船体特征不变,在模型试验和理论计算中探讨了刚度对波激振动的影响。通过两种刚度船体梁的模型试验与理论计算结果的比较分析,给出了波浪周期和船体刚度的变化对波激振动影响的几点结论。     

小水线面双体船总振动计算与试验研究

小水线面双体船是一种耐波性较好的双体船,其水线面较小,但湿表面较大,使得附加质量对船体的振动特性影响较大。运用三维水弹性分析方法,以干模态为主坐标,分析小水线面双体船的振动特性。综合考虑波浪中附加质量的影响,得到小水线双体船的各阶主要总振型。同时,对实船进行了总体振型测试,得到相应的振型。计算与试验的结果对比分析显示,它们在该船的各主要振型模态上较为吻合,振型频率也一致,说明测试方法合理,数值计算方法可行。     

Fully coupled BEM-FEM analysis for ship hydroelasticity in waves

This paper considers the problem of ship hydroelasticity, which is an important technical issue in the design of ultra-large vessels. For the analysis of fluid-structure interaction problems, a partitioned method is applied. The fluid domain surrounding a flexible body is solved using a B-spline Rankine panel method, and the structural domain is handled with a three-dimensional finite element method. The two distinct methods are fully coupled in the time domain by using an implicit iterative scheme. The numerical results of natural frequency and the motion responses of simple and segmented barges are computed to validate the present method through comparisons with experimental and numerical results. This study extends to the application to two real ships, 6500 TEU and 10,000 TEU containerships, for more validation and also observation on the practicality of the present method. Based on this study, it is found that the present method provides reliable solutions to linear ship hydroelasticity problems.     

6750箱集装箱船非线性波激振动和颤振响应分析

本文采用三维时域非线性水弹性方法分析了一艘6750箱集装箱船的水弹性响应以及运动和垂向弯矩特征。通过考虑入射波力、静水恢复力、砰击效应的非线性,研究了在恶劣海况下船体的非线性运动和垂向弯矩响应,同时分析了波激振动及颤振对垂向弯矩的影响。数值计算结果表明:(1)非线性入射波力对运动的影响较小,但是对垂向弯矩的影响较大,使得其有明显的倍频成分,同时中垂弯矩显著大于中拱弯矩。另外,非线性入射波力也引起了明显的非线性波激振动;(2)非线性静水恢复力对运动和载荷的影响均较大,但是没有引起明显的非线性响应。非线性计算的垂荡响应小于线性结果,而纵摇和垂向弯矩响应大于线性结果;(3)砰击效应对运动的影响较小,但对垂向弯矩的影响较大,砰击效应引起了显著的船体弹性高频振动,增大了载荷幅值,但是其引起的合成中垂和中拱幅值相差不大;(4)非线性水动力的作用主要引起垂向弯矩的倍频响应,包括倍频可能引起的二节点垂向弯矩弹性共振,而砰击效应主要引起船体二节点垂向弯矩共振;(5)本文的非线性水弹性响应计算结果与Kim给出的数值计算结果吻合很好。     

考虑航速及自由液面影响的声介质中三维结构水弹性力学研究

基于Wu建立的带航速三维水弹性理论,采用考虑自由液面效应的理想可压流体Green函数,提出了带航速和考虑自由液面的声介质中三维水弹性结构声辐射计算方法.对THAFTS三维水弹性计算程序进行修改,得到声介质中三维水弹性计算程序.针对无限大流体中的静态弹性球壳结构声辐射模型进行一系列数值计算,通过与解析结果的比较,验证了该计算方法和计算程序的正确性.进一步计算不同潜深、不同航速下弹性球壳的结构声辐射,以此为基础对该计算方法和计算程序进行进一步考核,同时分析了航速和自由液面对水下结构声辐射的影响.     

三维水弹性软件并行化的初步实现

为了满足超大型浮体尺寸巨大、结构复杂的分析需求,以及三维水弹性软件商用化的快速计算要求,文章通过对已有三维水弹性程序的分析,设计并实现了多参数并行化快速计算,为超大型浮体进一步水弹性分析奠定了良好基础。文中以常规船舶和超大型浮式平台为例,测试了并行化软件的正确性与快速性。结果表明,并行化改造达到了快速计算的效果。     

三维水弹性集成软件的设计与实现

为了满足三维水弹性软件商用化的应用要求,文章通过对已有三维水弹性程序的使用经验的分析,设计并实现了其前后处理功能模块,形成统一的商用化集成软件。并以某18万吨的散货船为例,利用该商用集成软件进行分析处理,用以进一步展示完成的集成软件的功能。最后给出了软件进一步发展的设想。