基于流固耦合法的巡逻船首部结构耐撞性能研究

目前船舶碰撞研究普遍采用忽略水对船体影响的附连水质量法,本文将水介质对船舶的影响考虑进去,建立船—水—船相互作用的流固耦合算法。并以600吨级巡逻船为研究对象,建立撞击船与被撞船整船模型以及适当大小的水域,解决了撞击船—流场—被撞船之间的耦合问题。在数值仿真计算过程中,将内部动力学及外部动力学同步分析,获得了不同工况下被撞船的运动状态以及损伤变形、碰撞速度和碰撞力等动态结构响应。所获结果可为巡逻船在不可避免地发生碰撞时提供操船建议,对于提高巡逻船的战斗力具有重要的意义。     

基于流固耦合法的巡逻船首部结构耐撞性能研究

目前船舶碰撞研究普遍采用忽略水对船体影响的附连水质量法,本文将水介质对船舶的影响考虑进去,建立船—水—船相互作用的流固耦合算法。并以600吨级巡逻船为研究对象,建立撞击船与被撞船整船模型以及适当大小的水域,解决了撞击船—流场—被撞船之间的耦合问题。在数值仿真计算过程中,将内部动力学及外部动力学同步分析,获得了不同工况下被撞船的运动状态以及损伤变形、碰撞速度和碰撞力等动态结构响应。所获结果可为巡逻船在不可避免地发生碰撞时提供操船建议,对于提高巡逻船的战斗力具有重要的意义。     

基于全耦合技术的船体结构碰撞性能研究

由于船舶碰撞问题的复杂性,通常是将船舶碰撞的外部机理与内部机理分开研究。作者基于“全耦合”分析技术,建立撞击船与被撞船整船模型,成功解决了船体与流场、撞击船与被撞船的耦合。此外,考虑撞击船与被撞船同步损伤,将内部机理同外部机理同步分析。通过数值仿真计算,分析了碰撞后撞击船与被撞船的运动、能量转化以及碰撞力、损伤变形及各构件的吸能情况。另外,开展多种碰撞工况计算研究,得出了便于工程应用的极限撞速曲线,为后续的船舶碰撞研究提供了技术支撑。     

不同碰撞角度下水-船-墩流固耦合数值模拟研究

为研究不同碰撞角度下流体对船桥碰撞过程的影响，本文建立了水-船-墩精细化流固耦合模型，流体域采用ALE描述，船-桥结构采用Lagrange描述，通过罚函数算法实现结构-流体间的耦合。通过数值造波结果与解析解对比，验证了数值水池和耦合接触算法的可靠性。随后在0°～45°范围内开展了碰撞数值模拟，并与附加质量模型在能量转化、碰撞力、桥墩内力及位移、船舶损伤及航迹方面进行了对比。结果表明：流体对碰撞力影响较小；附加质量模型会略微夸大桥墩位移，但差别较小；两种模型的船舶撞损差别较大，不考虑流体时将夸大船舶撞损程度，最高可达21%；流体对船舶航迹与姿态会产生显著影响，流固耦合模型中船舶会明显滞后于附加质量模型。     

船舶抗碰撞性能研究

船舶在海上航行时,存在与其他船舶发生主动或被动碰撞的风险。为准确评估船舶的耐撞性能,以某船为例,考虑多种计算工况,对目标船的耐撞性能进行动态响应计算,获得机舱及艏部区域的结构损伤、应力、能量吸收等动态结构响应,并计算获得被撞船达到临界状态时的极限撞击速度。研究成果可为船舶的防撞结构设计提供参考。     

基于船-水-冰耦合技术的撞击参数对船冰碰撞性能的影响

以极地运输船舶的首部作为研究对象,建立基于流固耦合算法的船-水-冰耦合技术对三维船首与冰体碰撞的结构响应问题进行研究,成功解决了船体、冰体与流场、船体与冰体之间的耦合,考虑了碰撞过程中船体与冰体的同步损伤,并结合非线性有限元软件Ls-dyna对比分析了冰体质量、船冰碰撞角度等撞击参数的结构响应问题,分析了不同碰撞工况下船舶撞击冰体后损伤变形、碰撞力等方面的变化特征,对分析船舶与冰体碰撞的结构性能具有参考价值。     

转筒式防撞设施防船撞性能研究

为探究转筒式防撞设施的防船撞性能,本文采用PATRAN软件建立转筒式防撞设施及船舶的精细化数值计算模型,并采用LS-DYNA软件进行显式动力响应分析,研究了船舶吨位、撞击速度及碰撞角度对三种材料形式的转筒式防撞套箱防船撞性能的影响。结果表明:复合材料套箱在船撞力折减效果及船艏保护方面的性能要显著优于钢套箱和钢-复合材料套箱;对于不同吨位、速度的船舶撞击,船舶吨位越大、速度越快,三种材料形式的防撞套箱均表现出更好的防船撞性能;碰撞结束后,正撞计算工况的船舶初始动能全部转化为其它形式的能量,而15°和30°斜撞计算工况仍有40%～50%的初始动能停留在船舶上,碰撞结束后船舶可继续航行。     

水介质对船冰碰撞结构响应的影响

以极地运输船舶艏部作为研究对象,建立基于流固耦合算法的船-水-冰耦合技术对三维船艏与冰体碰撞的结构响应问题进行了研究,结合非线性有限元软件LS-DYNA对比分析了考虑流固耦合(即有水介质)的船-水-冰碰撞模型和不考虑流固耦合(即无水介质)的船-冰碰撞模型与同质量不同速度的冰体发生碰撞下的结构响应问题,揭示了不同碰撞工况下船舶在损伤变形、碰撞力、速度等方面的变化特征及差异,同时阐述了水介质在船冰碰撞中的作用,可以为极地运输船舶的抗冲击结构设计提供参考。     

恶劣海况下船舶砰击颤振响应特性数值计算与试验研究

[目的]针对恶劣海况下船舶所受砰击颤振响应现象,探究船舶非线性波浪载荷与瞬态高幅值砰击载荷的耦合作用。[方法]采用计算流体动力学与有限元方法（CFD-FEM）相结合的双向流固耦合方法对S175集装箱船进行数值仿真计算,并与试验结果及切片理论计算结果进行对比验证;采用分段变截面弹性龙骨梁模型开展船舶的砰击颤振特性模型试验,基于CFD-FEM双向流固耦合方法开展船艏砰击载荷及高频非线性砰击颤振响应特性分析,并与模型试验结果进行对比验证。[结果]结果显示,波浪砰击载荷对船艏颤振响应的影响不可忽视,6级海况下由砰击颤振诱发的二阶高频成分分量占低频波浪弯矩的59.86%。[结论]采用基于CFD-FEM的双向流固耦合方法可准确计算船首砰击颤振响应;在高海况下船舶所受非线性波浪载荷及结构动态响应易受船首瞬态砰击载荷的影响,在船舶结构设计与安全评估中需考虑高频砰击颤振的情况。     

内河航道桥梁船撞时船体最大变形量研究

目前在桥梁船撞防护的专项设计或船撞力专题研究中,对船舶撞击力的研究和桥梁在船舶撞击作用下的响应关注较多,而对船体最大变形量的研究较少。基于ANSYSLS-DYNA软件,对4种不同载质量的内河代表船舶在3种航速、2种碰撞角度下撞击4种墩型的船撞工况进行数值模拟,提取船体最大变形量,并分析船体最大变形量与船舶载质量、撞击速度、桥墩类型及撞击角度的关联性,同时与经验公式做对比。研究结果表明,撞击速度及撞击角度是船体最大变形量的主要控制因素,桥墩类型与之关系不明显。     

船首形状对舷侧结构碰撞性能的影响研究

船舶碰撞问题一直是船舶力学界研究的热点,但以往的研究并没有深入分析各类船舶的不同艏部形状对碰撞性能所产生的影响.为此利用数值仿真软件MSC/Dytran,对具有不同曲率的球鼻型船首和不同张角的常规船首撞击下舷侧结构的碰撞性能进行了定量的比较研究.结果表明,撞击船首部形状对被撞船舷侧结构的碰撞性能产生显著的影响,撞击船球鼻曲率形状参数越小或艏部张角越大,舷侧结构极限撞深提高,碰撞力增大,极限撞深时的吸能增多.     

被撞船刚体运动响应的滞后特性

船舶碰撞过程中,被撞船的刚体运动较之碰撞区的局部损伤变形存在一定程度的滞后。本文以理论分析和数值仿真两种方法对该滞后现象进行了研究。提出了运动滞后分析的基本假定和计算公式。研究结果表明,被撞船的运动滞后与撞击速度有重要关系,在高速撞击时,船舶碰撞的内、外部机理计算可相对独立地进行而不会引起明显的分析误差。     

船舶碰撞运动的滞后特性

船舶碰撞过程中,被撞船的刚体运动较之碰撞区的局部损伤变形而言,存在一定程度的滞后效应。本文从理论分析和数值仿真两个方面对该滞后现象进行了研究。研究结果表明：被撞船的运动滞后与撞击速度有重要关系;在高速撞击时,船舶碰撞的内、外部机理计算可相对独立地进行,而不会引起明显的分析误差。     

船舶碰撞数值仿真的一种组合模型

根据船舶碰撞的运动滞后和局部损伤特性,采用附连水质量处理流体-结构耦合作用,用详细的有限元模型表达撞击船首和被撞船侧的直接涉撞区结构,而将非碰撞区的船体结构以具有相应质量分布和弯曲刚度的惯性等效模型来代表,并将之与碰撞区的局部模型适当地联接起来,形成一个组合模型用于碰撞仿真计算.该组合模型不仅建模工作量小,而且CPU时间也大大减少.算例表明,组合模型与流固耦合模型的分析结果具有良好的一致性,可以满足一般的工程精度要求.     

船舶碰撞数值仿真的一种组合模型

根据船舶碰撞的运动滞后和局部损伤特性,采用附连水质量处理流体－结构耦合作用,用详细的有限元模型表达撞击船首和被撞船侧的直接涉撞区结构,而将非碰撞区的船体结构以具有相应质量分布和弯曲刚度的惯性等效模型来代表,并将之与碰撞区的局部模型适当地联接起来,形成一个组合模型用于碰撞仿真计算。该组合模型不仅建模工作量小,而且CPU时间也大大减小。算例表明,组合模型与流固耦合模型的分析结果具有良好的一致性,可以满足一般的工程精度要求。     

某公务船抗碰撞性能研究

公务船在领海和专属经济区执行维权执法任务时,存在较高的与其他船舶发生主动或被动碰撞的风险。为了准确评估公务船的耐撞性能,本文以某公务船为例,考虑多种计算工况,对目标船的耐撞性能进行动态响应计算,获得了机舱及首部区域的结构损伤、应力、能量吸收等动态结构响应,并计算获得被撞船达到临界状态时的极限撞击速度。研究成果可为公务船的防撞结构设计提供参考。     

船舶模型水池碰撞试验研究

本文提出一种能够模拟船舶海上碰撞环境的模型试验方案,并结合船舶拖曳水池开展了系列模型碰撞试验,分析了不同撞击速度和撞击角度条件下的被撞船模型舷侧结构损伤特性,研究工作可为更好地理解船舶在实际场景下碰撞后的运动规律及仿真方法验证提供试验数据支撑。     

楔形首撞击下船体双壳结构的耐撞性研究

船舶遭受其他船船舶撞击会引起严重的后果,典型撞击船船首形式有球鼻首和楔形首,而目前对楔形首撞击下船体结构的耐撞性研究涉及较少。此外,双壳船体结构形式可提升船舶的碰撞安全性。因此,本文开展楔形首撞击下船体双壳结构的耐撞性研究。设计了双壳结构模型试件和楔形首撞头,开展了准静态压载试验。同时开展数值模拟,准确模拟了双壳结构完整损伤过程的撞击力-撞深曲线和最终破坏形式。研究结果表明:楔形首撞击下双壳结构外壳板和内壳板的损伤模式有区别;与内壳板相比,外壳板因撕裂作用能吸收更多的能量;外壳板与隔板间的耦合作用较小。本文研究成果可为船体双壳结构的耐撞性设计和评估提供技术支持。     

白果渡嘉陵江大桥防撞装置的防撞性能研究

为解决白果渡嘉陵江大桥防撞安全的问题,考虑桥区附近水文、航道情况和桥梁的结构形式,提出了一种自浮式复合材料防撞装置,针对该防撞装置防撞性能问题,采用LS-DYNA建立了船-桥墩-防撞装置三维分析模型,研究了不同角度撞击该防撞装置时桥墩的结构响应,并和无防撞装置情况对比。结果表明：安装防撞装置后,在最不利的正撞工况下,船舶撞击力峰值降低55%,最大等效应力减少44%,具有良好的防撞效果;在小角度碰撞工况下,船舶被防撞装置拨开船艏,并保留了70%的动能远离桥墩,减少了能量的转换,撞击力峰值、防撞装置撞击位置最大等效应力以及最大撞深比大角度碰撞工况分别降低了50%、37%和53%,使得小角度碰撞时的冲击效应更为平缓,减小了对船舶和桥墩造成的危害。     

某核动力平台双层舷侧结构耐撞性试验及数值分析北大核心CSCD

[目的]旨在研究某核动力平台双层舷侧结构的耐撞性能。[方法]分别建立全船和局部双层舷侧结构碰撞有限元模型,利用LS-DYNA软件进行碰撞仿真分析;在此基础上,设计双层舷侧结构准静态挤压缩比试验模型,开展相应准静态挤压试验,并与数值仿真结果进行对比。[结果]结果显示,对于船舶低速碰撞,局部结构模型与全船模型计算的结构响应基本一致。设计的准静态挤压缩比试验结果与数值仿真结果吻合较好,较好地反映了低速碰撞特性和结构变形模式,验证了数值仿真方法的正确性。双层舷侧结构的核动平台在受到5 000 t级船舶以2 m/s的速度碰撞时未发生破口,具有较好的抗碰撞性能。[结论]采用局部结构模型计算碰撞响应的精度较的,可大幅减少建模和计算的工作量。研究工作对于同类结构耐撞性能分析及碰撞试验研究具有一定的参考价值。