舰船砰击载荷及结构动响应研究综述

砰击是个强非线性现象,严重砰击引起的船体局部和整体结构的动响应会威胁船舶结构强度,该问题一直深受船舶设计者和研究人员的重视.文章侧重从结构动响应角度,从理论分析、数值模拟以及实验三方面,综合分析了国内外在该领域研究进展,指出尚待解决的问题和今后的研究方向.     

砰击载荷作用下船底肋骨等效设计压力的确定

通过一个船体二维分段的自由落体试验,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有限元分析;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。该折减系数与船体入水速度成线性关系,在已知船体设计入水速度和试验压力分布时,可以获得船体设计均布静压力。     

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.     

船首外飘砰击载荷的数值预报

本文采用显式有限元方法预报船首外飘砰击载荷。通过对比小尺度外飘模型的自由落体砰击试验值和相应的数值模拟结果,验证了该方法在预报船首外飘砰击载荷方面的可行性。针对2种不同结构形式的实船尺度的外飘剖面,预报了剖面在船体与波浪相对运动规律下的砰击载荷,研究了流动分离后的二次砰击现象,并进一步探讨了网格密度和接触刚度参数对不同剖面形式外飘砰击载荷的影响。     

宽幅平底船型砰击载荷研究

针对宽幅平底船型在风浪中航行,其船艏底部易遭受砰击从而引发船体高频振动的现象,对某型宽幅平底船型进行了研究.通过对目标船艇开展理论计算、船模试验、实船测量等多项工作.研究了非常规船型的砰击载荷.运用理论研究和试验相结合的方法,开展了复杂船型的砰击载荷研究,提出了理论预报的估算公式.通过大量计算和相关试验,得出了船型、航速和海况是影响宽幅平底船型砰击载荷的三大主要因素的结论.     

船首外飘砰击设计载荷直接计算

文章结合三维线性势流理论和砰击速度的长期分析方法,求解出船体外飘位置的设计砰击速度;以首垂线和静水面交点处的设计砰击速度为目标值,给出了用于确定船首外飘砰击设计载荷的等效设计波,进而得到了设计状态下船体外飘剖面与波面相对运动关系;将船体剖面与波面间的相对运动关系等效转化为船体剖面与静水面的相对运动,利用显式有限元方法实现了外飘剖面砰击设计载荷的预报。针对直接计算方法中涉及的设计砰击速度、砰击压力和砰击压力系数,对比分析了文中结果和相应的规范值或试验值,论证了文中船舶外飘砰击压力设计载荷直接计算方法的合理性。     

基于全船建模的航速对船首外飘砰击影响研究

建立二维楔形体入水模型,验证入水砰击仿真方法可靠性,对集装箱船体进行全船体建模,导入船体运动参数,增加船体的纵摇运动,采用一般耦合算法(General coupling),流体域用Euler单元模拟,船体设为刚体,划分为Lagrange有限元网格,对船体进行入水仿真.对比不同工况下的结果表明:全船模拟时船型纵向斜升角会发生变化,导致航速对船首入水砰击压力的影响较大,随着航速的增加,入水砰击压力变大,同时航速还会使砰击压力峰值位置发生变化.     

Hydroelastic analysis of a rectangular plate subjected to slamming loads

A hydroelastic analysis of a rectangular plate subjected to slamming loads is presented. An analytical model based on Wagner theory is used for calculations of transient slamming load on the ship plate. A thin isotropic plate theory is considered for determining the vibration of a rectangular plate excited by an external slamming force. The forced vibration of the plate is calculated by the modal expansion method. Analytical results of the transient response of a rectangular plate induced by slamming loads are compared with numerical calculations from finite element method. The theoretical slamming pressure based on Wagner model is applied on the finite element model of a plate. Good agreement is obtained between the analytical and numerical results for the structural deflection of a rectangular plate due to slamming pressure. The effects of plate dimension and wave profile on the structural vibration are discussed as well. The results show that a low impact velocity and a small wetted radial length of wave yield negligible effects of hydroelasticity.     

基于全船建模的航速对船首外飘砰击影响研究

建立二维楔形体入水模型,验证入水砰击仿真方法可靠性,对集装箱船体进行全船体建模,导入船体运动参数,增加船体的纵摇运动,采用一般耦合算法(General coupling),流体域用Euler单元模拟,船体设为刚体,划分为Lagrange有限元网格,对船体进行入水仿真。对比不同工况下的结果表明:全船模拟时船型纵向斜升角会发生变化,导致航速对船首入水砰击压力的影响较大,随着航速的增加,入水砰击压力变大,同时航速还会使砰击压力峰值位置发生变化。     

砰击载荷作用下船体局部结构优化设计

本文以某船船首结构为研究对象,基于Fluent与Sesam分别计算了船体砰击压力系数和砰击瞬时船体与波浪之间的相对速度,采用"两步走"的方法对船首底部及外飘处的砰击载荷进行研究。考虑砰击载荷在船首区域的时空分布,将该载荷分区施加在船首结构表面,计算了船首结构在砰击载荷作用下的结构响应。研究发现,在船体纵向方向,越靠近船首的位置,相对入水速度越大;在垂向方向,入水速度呈现先增大后减小的趋势。根据计算结果对船首局部结构进行了优化设计。     

砰击载荷作用下船首结构的规范设计对比研究

针对某船首部结构,选用不同的规范进行砰击载荷作用下的首部结构尺寸规范计算,通过比较计算结果,分析规范之间的差异,从而为舰船首部结构的设计提供参考。     

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。     

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。     

船舶表面点砰击压力的预报方法

本文基于线性切片理论,结合船舶在波浪中运动时历的数值模拟方法,考虑船舶表面点的运动与波浪的相位关系,给出了船舶表面点的入水速度的预报方法,再运用二维剖面入水砰击压力与入水速度之间的关系,对船舶表面入水点的砰击压力进行了预报.最后,给出了一条船的计算实例.     

超大型 VLCC 波激振动和砰击振动模型试验研究

船舶的波激振动和砰击振动对船舶结构的安全性有较大影响。文章以一艘超大型 VLCC 为研究对象,通过变截面梁分段模型试验方法对船舶在规则波和不规则波中波激振动和砰击振动响应进行了比较分析,介绍了船模波浪载荷试验中模型的设计原则,通过静水试验得到了船体梁垂向振动频率特性、振动阻尼和静水兴波弯矩等参数,通过规则波和不规则波试验分析了波高、波浪周期和装载状态等因素对波激振动和砰击振动的影响。该文的研究结果对大型船舶的结构设计具有一定的指导意义。     

深水钻井船波浪载荷预报

以两艘钻井船为例,分别计算其波浪载荷传递函数和波浪载荷长期预报值,将计算结果与规范计算值比较,且对其中一艘钻井船计算其不考虑月池开孔时的波浪载荷预报,试图找出钻井船与常规船型的差异,为结构设计人员在钻井船设计方面提供一定的借鉴。     

真实海况下船舶水弹性响应及砰击载荷的大尺度模型试验研究

现有的船舶波浪载荷模型试验大多是在水池环境中开展的,然而受水池尺度、造波能力、模型航行范围以及尺度效应等方面的影响或限制,水池模型试验并不能完全真实地反映出实船海上航行时的水动力学性能.事实上,真实海浪具有非线性强、随机性强、方向分布广等特征,因此研究船舶在真实海浪短峰波中的水动力学性能对于指导实船设计研发具有重要的指导意义.实际海浪环境中,舰船大尺度模型试验是一种新型试验技术,综合了水池模型试验和实船海试的部分共同优势.本文提出了大尺度模型波浪载荷与砰击载荷试验技术,建立了一套稳定可靠的大尺度模型海上试验测试系统,并提出了恶劣海况下大尺度模型耐波性及波浪载荷试验实施方案,进而基于大尺度模型试验数据分析了船舶在真实恶劣海况下的运动与载荷响应及砰击载荷特性.     

反复碰撞载荷下船体结构弹塑性动态响应研究进展

极地船舶与海洋工程结构在营运过程中会遭受到浮冰多次冲击、直升机重复着降以及供应船停靠等反复碰撞载荷,在这些反复碰撞载荷作用下船体结构会产生累积的塑性变形,这将会严重危害冰区船舶与海洋工程结构的使用性能和安全性能.本文主要从试验方法、数值方法和理论方法三个方面对反复碰撞载荷下船体结构塑性动态响应研究进展进行综述,对船体结构在反复碰撞载荷下的力学机理进行总结,对反复碰撞载荷下船体结构的伪安定现象是否发生进行了讨论.此外,本文针对一些反复碰撞问题的实际工程背景,总结了一些设计公式以及设计图谱,从而给极地船舶与海洋工程结构设计提供参考.     

Numerical study of ice-induced loads on ship hulls

A numerical model is introduced in this paper to investigate both global and local ice loads on ship hulls. This model is partly based on empirical data, by which the observed phenomena of continuous icebreaking can be well reproduced. In the simulation of a full-scale icebreaking trial, the interdependence between the ice load and the ship’s motion is considered, and the three degree-of-freedom rigid body equations of surge, sway and yaw are solved by numerical integration. The variations in the level ice thickness and in the strength properties of ice can also be taken into account. The simulated ice loads on ship hulls are discussed through two case studies, in which the ship’s performance, the statistics of ice-induced frame loads, and the spatial distribution of ice loads around the hull are analyzed and compared with field measurements. As far as we know the present paper is the first to integrate all the features above. It is hoped that further studies on this numerical model can supplement the field and laboratory measurements in establishing a design basis for the ice-going ships especially for ships navigating in the first-year ice.     

基于船波相对运动的砰击压力和上浪载荷预报方法

本文基于船波相对运动理论,对舷侧砰击压力和甲板上浪载荷的数值及试验预报方法分别进行了研究.利用三维势流理论计算船舶与波浪之间的相对运动,可以得到船波相对速度及甲板上浪高度.对于砰击压力通过数值模拟方法得到砰击压力系数后结合船波相对速度来预报;对于上浪载荷则采用考虑船舶航速的溃坝模型结合甲板上浪高度来预报.此外,开展了船舶运动和砰击压力模型试验,船波相对运动由沿着模型横剖面布置在舷侧的浪高仪测量,并且测得了相应位置处的砰击压力.最后分别对船波相对运动和砰击压力的数值结果与试验数据进行了比较分析,同时基于船波相对运动给出了一种砰击持续时间计算方法.