基于面元法的兴波阻力优化研究

船舶是水上运输中不可或缺的重要工具之一,为使船舶在相对较短的时间内,一次性运输更多的货物,船舶朝着大型化和高速化的方向发展。船舶体型增大和速度提高后,在水中航行时,产生的兴波阻力随之增大,由此导致燃料的消耗进一步增加。为有效解决这一问题,应当对兴波阻力进行准确计算,从而为船型的优化设计提供详实可靠的依据,在保证船舶航行性能的基础上,降低燃料消耗量,达到经济航行的目标。基于此,本文从兴波阻力的成因及其重要性分析入手,论述了基于面元法的兴波阻力优化。     

直接边界元法解势流速度场问题

在船舶水动力学中,大多采用以Hess-Smith方法为基础的间接边界元法求解势流绕流问题,但Hess-Smith方法本质上是基于物理直观提出,在理论和数值计算上都存在着缺点。直接边界元法虽然在船舶水动力领域有着非常广阔的应用前景,但至今应用较少。为推广直接边界元法在船舶水动力学中的应用,根据边界积分法建立积分方程,采用直接边界元法对无界势流绕流问题予以求解,得出流场速度势和物面上的速度分布,并通过与解析解的比较进行误差分析。对二维、三维问题的算例进行数值计算。数值计算过程用Matlab编程实现。结果表明:直接边界元法在求解船舶势流绕流问题中具有足够的精度和较高的效率,且数值计算实现过程更简洁,可发展成为求解船舶兴波等船舶水动力学问题的通用方法。     

采用一种高阶面元法数值求解浅水船舶兴波问题

开发了一种基于B样条的高阶面元法用来求解浅水船舶兴波问题.船体表面和自由面上分别布置Rankine源,同时利用镜像原理来计及水底的影响.物体儿何用B样条曲面精确表示.在求得边界面卜的源强密度分布后,物面上的速度势用B样条来表示.数值计算中采用配置方法,并且用高斯-勒让德公式来计算方程中的积分.为了验证文中方法的有效性,用本方法计算了Wigley船在深水和浅水中的兴波水动力和波形,所得数值结果与试验结果和其它数值结果进行了比较,吻合程度令人满意,表明本方法被用来求解浅水船舶兴波问题是有效的.     

无限区域二维势流直接边界元法精度分析

边界元法作为一种重要的数值方法已在许多领域得到广泛应用,但在船舶水动力势流理论数值计算方面,有关直接边界元法的研究并不充分,尤其是在船舶兴波阻力势流理论求解方面,以往的“面元法”通常是基于Hess-Smith法的间接法,这类方法在理论和数值计算上都存在着缺陷。针对船舶水动力势流理论计算,采用直接边界元法,对二维势流无界绕流算例进行系统的数值计算,并根据二维势流问题的计算结果详细探讨边界单元离散形式和单元上的数值积分方法对计算精度的影响,各项数值计算均以Matlab软件编程实现。结果表明,采用常数单元和龙贝格积分法能够得到较准确的结果,且计算速度较快。     

三体船兴波问题的数值计算

以基于NURBS(non-uniformra tionalB-splines,非均匀有理B样条)的广义高阶面元法讨论了三体船兴波波形与兴波阻力的数值计算问题。对两种不同船型的三体船进行了计算,计算结果与试验结果的比较表明了该方法的有效性。文中还讨论了高速方尾三体船侧体的横向偏距和纵向偏距对兴波阻力的影响。     

一种计算非线性兴波阻力的基于NURBS的高阶面元法

文章开发了一种用于求解非线性兴波阻力问题的基于非均匀有理B样条(NURBS)的高阶面元法.该方法采用NURBS基函数表达物面几何和边界面上的源强分布.为了满足非线性自由面边界条件,开发了一个迭代算法;辐射条件通过采用网格错位的数值技术得到满足.以Wigley数学船型为例,在一系列的船速下计算了非线性兴波阻力.数值结果表明所提出的方法对于计算兴波阻力是精确和有效的.     

边界元法在L形活塞环扭角计算中的应用

L形活塞环扭角的大小对柴油机的性能有着明显的影响。本文推导了扭角的计算式,并用边界元法对几种截面环进行了计算。结果表明该法有着很好的精度,并适用于各种截面形状环的扭角计算。     

双体船/三体船兴波阻力数值预报方法研究

采用改进的Dawson方法,自行开发了可用于双体船、三体船兴波阻力的数值预报程序,并且考虑了高速三体船方尾的处理.利用本文的数值预报方法分别计算了一条小水线面双体船和一条三体船,验证了本文的数值预报方法在一定范围内能较合理地预报双体船、三体船的兴波阻力.此外,还讨论了该方法在三体船片体位置优化中的应用,通过和试验值对比验证了该方法可用于三体船片体布局优化.     

求解船行波问题的多域边界元法

为求解船行波问题,引入一个虚构的控制面,将船体绕流场分割成内域和外域。在内域配置Rankine源,在外域配置Kelvin源,内外域边界积分方程与控制面连续性条件耦合,构建了基于三维势流理论的多域边界元方法。开发了计算求解程序,以Wigley船为例考察内域大小、网格密度等参数对计算的影响。然后对Wigley和S60船的兴波阻力、航行姿态、船侧波高等进行计算研究,与相关文献及试验数据进行比较,吻合良好。外域Kelvin源能自动满足辐射条件,内域Rankine源能满足实现简单、稳定高效。该方法对船型适用性好,工程实用性强。     

Dawson方法在不同边界条件下的应用

本文对改进后的Dawson方法作了简单的描述，并且给出了船舶在开阔无限水深的海域、限制航道、凹型海底以及其他水下结构物存在的海域中航行时的计算例子。结果显示了改进后的Dawson方法以及计算程序的有效性，是一种可以用来预报不同工程问题中船舶兴波和船舶水动力的简单而实用的方法。     

采用边界元素法延拓舰船磁场

从边界积分方程出发,介绍利用边界元素法来进行舰船磁场延拓的方法。通过船模实验验证了该方法的有效性,实验表明该方法具有较强的工程实际意义。     

采用Green-Naghdi方程和有限元法计算浅水船波

采用波动方程／有限元法求解Green-Naghdi(G-N)方程计算船舶在有限水深区域的兴波和波浪阻力。把行驶船舶对水面的扰动作为移动压力直接加在Green-Naghdi方程里，以描述运动船体和水面的相互作用，并经此来计算不面波动、船底水动压力和波浪阻力。G－N方程比浅水方程增加一个非线性的频散项，以补充有限水深对浅水船波的影响。采用随船运动网格的有限方法，以Series 60 CB=0.6船作为算例给出浅水船波的计算结果，并与浅水方程的结果进行了比较。计算结果表明，当船速小于临界速度时，由于频散的影响，G－N方程级出的船后尾波波高比浅水方程的结果大，同时波浪阻力也比浅水方程的结果有所提高。当船速大于临界速度时，G－N方程的计算结果与浅水方程基本相同，频率散射无明显影响。     

ALE有限元法及边界元法在二维带挡板箱体液体晃荡现象模拟中的比较

该文对二维带挡板箱体液体晃荡现象进行了模拟和比较.任意拉格朗日欧拉(ALE)法基于Navier-Stokes方程,边界元法运用势流理论.首先,通过与不带挡板箱体液体晃荡现象的解析解的比较,验证了两种方法的有效性;进而研究了带刚性挡板箱体液体晃荡现象,并分析了挡板的尺寸、位置对晃荡现象的影响.文中还计算了作用于箱体壁面上的力和力矩.     

船体强度三维有限元分析的载荷直接计算和验证

采用载荷直接计算法对鞭船船体强度进行三维有限元分析，并用该船的实航测试数据和“船体梁理论”进行了验证和讨论。     

流固耦合振动流体边界元拟湿模态综合法

本文用流体边界元结合結构模态综合技术对大型结构的流固耦合问题的计算方法进行了研究。基于对用常数边界元计算附连水质量的物理意义的研究,并结合结构部分的计算,提出了一种假设的模态——拟湿模态。数值计算表明,本文的理论结果有足够的精度。     

极地物探船冰载荷有限元计算方法

采用LS-DYNA有限元软件建立极地物探船的船-水域-海冰有限元模型,计算得到该型船在设计破冰厚度和设计航速下的冰载荷量和冰载荷时程曲线,并进一步研究冰体单元尺寸对冰载荷计算结果的影响。研究表明,冰载荷最大值随冰体有限元单元尺寸减小而减小。对比相关冰载荷经验公式计算结果,最终确定合理的冰体单元尺寸。研究结果对极地物探船的结构设计和结构安全性评估具有重要意义。     

两船在波浪中靠帮模型运动的试验预报

近来由于航道以及水域的限制，两船或多船定点靠帮进行装卸货物或补给越来越普遍，两船或多船之间相互影响也越来越引起工程师们的关注。通过两种船型（驳船和双体船）在4级上限和5级上限海况下分别与大船（panamax）进行靠帮的水池模型试验研究，给出它们的实船预报以及对应位置处的碰撞概率，分析两种船型在靠帮中运动的优劣，试验结果可为工程设计单位提供参考。     

船体结构直接计算法中垂向波浪弯矩的确定

根据极值统计学原理，论证了长期特征最大值和长期极值特征值之间的关系，即当弯矩循环次数充分大时，最可能极值即为特征最大值，设计极值即为设计最大值。根据这一结论，提出了一种估算船舶垂向非线性波浪弯矩长期特征最大值的简便方法，使计算大为简化。