恶劣海况中大外飘型舰船的总载荷颤振响应分析

[目的]舰船遭遇恶劣海况时艏部砰击会激起船体梁颤振响应,威胁到总纵强度的安全。砰击颤振弯矩与船体刚度和外飘构型相关,但不同船型结构布置和型线差异大,有必要针对大外飘型舰船开展颤振响应分析。[方法]首先,采用COMPASS-WALCS-NE势流时域水弹性方法预报设计海况下的船体梁总载荷,并与分段自航模试验对比验证;然后,再提取艏部砰击合力、典型时刻的船体运动状态和船体梁总载荷响应的时历曲线,通过分析波浪载荷高低频分量的相位差异,研究船舯砰击弯矩与艏部砰击合力的关联性;最后,围绕船体主要设计参数进行敏感度分析。[结果]在设计海况艏部入水时,其砰击合力出现了2次峰值,分别对应于底板和外飘区域的大面积触水过程;颤振弯矩主要由艏部外飘砰击引起,受力面积大,合力距离船舯远,导致砰击弯矩达到了波浪弯矩的同等幅值;大外飘型舰船的砰击弯矩对波高变化最为敏感。[结论]对于大外飘型舰船的总纵强度评估应考虑砰击颤振的影响,对于中垂砰击弯矩需要直接与静水成分、低频的波浪成分叠加,而中拱砰击弯矩应考虑阻尼耗散,可先折减再叠加。     

气垫船首冲砰击载荷作用下船底结构瞬态响应分析

采用通用有限元计算软件Patran对俄罗斯某小型民用全垫升式气垫船船底结构进行分析,对密加筋式船底结构及纵骨架式船底结构分别建立有限元模型,通过计算两种船底结构在首冲砰击载荷下的瞬态响应特征,对比分析得到抗砰击效果较好的气垫船船底结构,为气垫船的结构设计提供参考.     

舰载刚性充气艇整船结构强度有限元分析

基于通用有限元软件Patran/Nastran,采用层合板单元模拟"三明治"夹芯结构;依据滑行艇艇体外载荷的简化计算法确定艇体所受的砰击载荷,并借助Adams软件建立机枪虚拟模型得出机枪射击时的最大作用力。根据艇体所受的砰击载荷和机枪在不同射击角度时的作用力,确定3种工况,计算分析舰载刚性充气艇在不同工况下的受力情况。结果显示,文章采用的分析方法和提出的建议可为舰载刚性充气艇的结构设计提供参考。     

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。     

规则波和不规则波中船舶艉砰击及其振动响应的试验研究

在拖曳水池中对某船舶进行了艉砰击及其振动响应的试验研究.在规则波以及不规则波中的零航速、艉随浪情况下观察到了严重的艉砰击现象.试验数据分析表明,合成弯矩可以分成由波浪载荷引起的低频成分以及由砰击载荷引起的高频成分.由于严重艉砰击载荷的作用,发现在某次规则波试验中合成弯矩比波浪弯矩要大出44%,在3.24m不规则波中合成弯矩增加了43%.不规则波中的试验数据统计表明合成弯矩分布范围服从Weibull分布.推导了服从Weibull分布随机变量的短期概率极值预报公式,针对试验数据进行了预报.还讨论了试验数据分析中的不确定性问题.试验研究表明,对于艉部平坦肥大的船舶,在设计和使用中需要引起对艉砰击及其振动响应问题的重视.     

舰艇结构刚度对砰击载荷影响的探讨

本文在文献「１」的基础上，进一步讨论水面舰艇的砰击载荷，主要探讨水面舰艇结构刚度对砰击弯矩的影响。通过对两条相似实舰的比较深入细致的计算分析后认为，舰艇结构刚度对砰击载荷有一定的影响，刚度愈大，舰舯的砰击弯矩亦大，而波浪诱导弯矩相对趋小；而刚度愈小，波浪诱导弯矩相对趋大，而砰击弯矩则愈小。这说明适当的舰艇结构刚度和剖面模数能够降低或改善舰艇的外载荷水平。一条具有结构性能优良的舰艇应该在舰体刚度与剖     

船体在海浪中的弯矩

本文给出了在时域内计算船体波浪弯矩、外张砰击弯矩和底部砰击弯矩的一种方法。 其中波浪模型依所给海浪谱取为由许多不同频率和振幅的规则波按随机相位相加而成。 在确定外张砰击的载荷公式中,本文考虑了Smith修正。 本文采用把比较成熟的船舶运动计算和由越智和夫等人在底部砰击压力试验方面提供的资料相结合的方法来确定底部砰击载荷。 按上述方法对两艘不同船型作了计算,并分别与其试验值进行了比较,得出比较满意的结果。     

水下爆炸气泡作用下船体总纵强度估算方法

水下爆炸中的气泡脉动载荷会造成舰船的鞭状运动,对其总纵强度产生很大威胁,是战争中造成船体总体毁伤与丧失生命力的主要原因之一。基于势流理论,推导并建立船体梁气泡弯矩的理论与计算方法,同时综合考虑气泡弯矩、船体静水弯矩、波浪弯矩及砰击弯矩等其他影响因素,建立一套完整的气泡作用下船体梁总纵强度估算方法。通过算例,校核典型工况下多种弯矩同时作用时船体梁的总纵强度。计算结果表明,气泡脉动载荷产生的总纵弯矩具有周期性鞭振特性,且数值大于其他弯矩。在评估舰船总纵强度与生命力时,应充分考虑气泡脉动载荷的影响。     

基于SPH方法的救生艇入水砰击数值模拟

救生艇在自由抛落过程中将与水面发生砰击现象,伴随自由面的破碎、飞溅等强非线性特征,采用拉格朗日系统光滑粒子法(SPH)对该剧烈流动现象进行数值研究.首先对二维楔形体的自由落水过程进行模拟,并与试验结果进行了对比,验证了文中SPH计算程序在艇体入水问题上具有较好的可靠性.随后,考察了楔形艇体截面的舭部夹角对入水过程中自由面的演化过程及结构运动产生的影响.最后,将SPH方法拓展至三维救生艇的入水过程模拟研究中,分析了艇体入水后的自由面变化及艇体运动的三维特征.数值结果表明,SPH方法能够成功应用于具有复杂自由面变化的救生艇入水砰击问题研究.     

关于船舶规范中计算载荷的分析

本文利用非线性切片理论，以两条不同类型的船舶为例，具体分析了现行规范中关于波浪弯矩、砰击振动弯矩以及弯矩迭加计算时存在的一些问题；指出了在确定计算载荷时应当计及船舶在波浪中的失速，所谓的谐振波不一定就是最危险的规则子波，按动量冲击理论计算以底部砰击为主的船舶是不合适的，不应把波浪弯矩和砰击报动弯矩的最大值简单相加来确定合成弯矩。     

高速M型艇砰击载荷的模型试验研究

本文根据相似理论,设计制作出一缩尺比λ=1:5的高速M型艇试验模型,并开展拖曳水池砰击测试试验,研究该M艇在规则波与不规则波2种情况不同工况下重心处垂向加速度与船底砰击压力的变化规律。本文讨论了波长对重心处垂向加速度的影响,并分析了不同航速下船底面砰击压力的大小与分布规律,为后续结构设计作支持。     

扁平艉型砰击载荷试验研究及结构动态响应分析

针对扁平艉型船舶的艉砰击现象进行了分段模型试验。测量剖面上的垂向弯矩响应,通过频域变换获取砰击弯矩成分,并分析艉砰击对船体梁合成弯矩的影响。基于模型试验测得的砰击压力数据,结合数值仿真计算,获得的压力的时空分布和计算艉部结构在砰击载荷作用下的动态应力响应。研究方法对扁平艉型船舶艉砰击的安全评估具有借鉴意义。     

极值应变仪

该机械式极值应变仪在国内尚居首次研制成功,它对砰击诱导冲荡引起的船体最大附加弯矩的量级,在4小时内作定时测试统计,自动测试为期一年。该仪器主要用于各种舰船、海上石油钻     

外张砰击载荷

本文讨论了船在不规则迎浪中航行时,由于首外张砰击而引起的压力和弯矩的计算。在砰击压力计算中采用了两种方法:动量冲击理论和Wagner型冲击理论。以具有较大首外张的S-175集装箱船为例,计算结果同模型试验进行了比较,压力及弯矩的符合程度令人满意。     

长艏楼船型艏艉砰击响应试验分析

针对长艏楼船型遭遇的艏砰击及艉砰击现象,采用一系列规则波下的分段模型试验测得典型剖面处的垂向弯矩响应,通过时域向频域的变换获取响应值的非线性砰击弯矩成分,综合分析艏艉砰击载荷下船体的垂向弯矩响应,以及浪向、波高、航速等参数对响应特性的影响。     

基于ALE算法的无转角和有转角铝制加筋板楔形体水弹性砰击的数值模拟研究

文章采用基于任意拉格朗日—欧拉(ALE)算法的显式有限元技术研究水弹性砰击现象,针对已开展的铝制加筋板楔形体结构入水砰击模型实验,开展了数值模拟比较工作。该楔形体底部斜升角为20度,底部两侧是包含三根纵骨和两根横梁的加筋板结构,两侧结构刚度不同。预报了模型无转角和有转角典型工况的砰击入水过程,得到的入水加速度、底部加筋板结构纵骨应力和横梁响应与模型实验结果吻合较好。研究表明该ALE算法具备模拟船舶局部结构的水弹性砰击流固耦合问题的能力。     

波浪作用下三维楔形体入水砰击数值模拟

当船舶航行于恶劣海况时,船舶会发生砰击现象。砰击现象是指船体发生剧烈的摇荡运动导致出水并再次入水,由于船舶入水砰击是瞬态过程,所以会在短时间内产生巨大的砰击压力,造成船体的变形甚至失效,因此准确预报入水砰击压力对保证船舶安全航行和作业具有重要意义。本文建立三维楔形体模型来模拟船首部位,结合有限体积法与动网格技术,引入VOF模型,数值模拟了波浪作用下不同刚度三维楔形体垂直入水的过程。研究发现不同刚度的三维楔形体分别入水的过程中,弹性结构入水砰击压力的峰值要小于刚性结构,弹性效应会一定程度减缓砰击的发生,为今后工程实践提供有价值的参考。     

二维楔形体砰击载荷研究

利用Fluent软件研究二维楔形体结构的砰击问题,考虑外部大气压重力以及网格影响等因素,建立二维有限元模型,对不同斜升角的楔形体结构以不同的速度进行等速入水的情况进行计算。研究发现,最大砰击压力随着楔形体斜升角的增大而减小,随砰击速度的增大而增大。     

砰击载荷作用下气垫船船底结构瞬态响应分析

采用有限元计算软件MSC.Patran对某气垫船首部船底结构进行瞬态响应分析,对加筋板悬挂式结构及常规切口式船底结构分别建立有限元模型,计算2种船底结构在受波浪砰击载荷下的瞬态响应特征,从其局部强度和局部振动特性对比分析得到抗砰击效果较好的气垫船船底结构,为该型艇的结构设计提供参考。     

底部砰击预报

依砰击瞬时相对速度的概率分布,导出不受频带宽窄限制的砰击压力特征值的表达式,并与越智和夫的预报值及测量值进行了比较。鉴于用附加质量的动量变化率求砰击力,难以反映底部砰击的真实情况,本文把试验结果与纵向运动的时域分析结合起来,提出一种计算不规则波中砰击弯矩的方法。