三维实船首部结构入水砰击载荷预报

首先对三维回转体结构入水砰击问题进行仿真研究,并与文献中的试验结果进行对比,从而验证仿真方法计算三维结构入水砰击问题的可行性;其次研究三维实船首部入水砰击过程,分析实船首部结构砰击压力与入水速度、结构曲率的关系,并提出该首部结构的砰击压力预报公式。     

三维实船首部结构入水砰击载荷预报

首先对三维回转体结构入水砰击问题进行仿真研究,并与文献中的试验结果进行对比,从而验证仿真方法计算三维结构入水砰击问题的可行性;其次研究三维实船首部入水砰击过程,分析实船首部结构砰击压力与入水速度、结构曲率的关系,并提出该首部结构的砰击压力预报公式。     

二维楔形体结构入水砰击数值仿真分析

随着船舶向高速化方向发展,首部砰击问题变得异常突出。本文通过楔形体入水砰击试验模拟船舶首部入水砰击现象并通过有限元仿真软件Ansys/Ls-dyna对楔形体入水砰击过程进行仿真分析,通过改变斜升角角度和楔形体下落高度研究砰击载荷的变化规律,并对楔形体入水时的压力变化及入水时液面抬升现象展开分析。研究结果表明,当楔形体表面与水面接触时,砰压立即增加,随后砰压会慢慢减小,最终趋于稳定。当楔形体的斜升角在变化时,楔形体的砰击压力也会随之变化,即当斜升角的角度越大,楔形体的砰击压力值就越小;当入水速度越快时,即入水高度越高时,砰击载荷的峰值也会越来越大,但处于同一速度（即同一高度）,在楔形体以不同角度入水时,当它们的角度越来越大,最后的砰击载荷峰值就会越来越小。研究成果可为船体首部砰击作用下砰击载荷的变化规律提供参考。     

结构物入水砰击过程数值分析

采用MSC.Dytran软件对二维楔形体入水砰击过程进行数值模拟,分析考虑空气和重力因素的液面变化情况,总结入水速度、入水角度与砰击载荷的关系;对三维刚性船舶尾部结构入水砰击问题进行研究,得到曲率变化对结构砰击载荷的影响规律。     

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。     

结构物入水砰击过程求解方法对比研究

航天器水上回收、两栖飞机水上降落、高海况下船舶航行等过程中均涉及结构的入水过程,入水过程的砰击现象一直是上述工程项目研制过程中的重点和热点基础研究之一。对求解结构入水砰击的3种技术途径（数值、仿真、试验）进行综合研究,介绍了3种方法的基本原理及工程实现方法并证明了其适用性,分别对楔形体结构自由入水砰击问题进行求解并进行对比分析,给出了楔形体上物面压力分布特点、典型测点处的砰击压力时历特征、入水过程中结构加速度特性及液面变化,可为入水结构设计、载荷条件制定、入水参数选取提供参考。     

三维对称楔形体入水的水弹性力学分析

结构入水砰击是一个很复杂的水弹性力学问题,在船舶与海洋工程领域,人们对其十分关注。本文借助模型试验和商用软件平台Ansys技术,对结构入水砰击过程展开研究。首先,自主设计入水结构模型、试验装置,通过布置在楔形体结构内的传感器,全程实时监测楔形体结构下落的压力变化。然后,基于试验结果,数值模拟了三维弹性楔形体的入水砰击过程。得到了砰击压力云图、等效应力云图以及流体的速度云图,对比分析了弹性体测点与试验中测点的砰击压力,验证了该数值模拟方法的可行性与有效性。     

基于DYTRAN的船艏砰击响应仿真分析

船舶在波浪中航行时,由于船体和波浪之间的剧烈相对运动,会出现砰击现象。与波浪发生直接冲撞的船艏是砰击现象发生最严重的区域,会引起局部结构屈曲变形。本文基于有限元软件MSC.PATRAN、MSC.DYTRAN软件,对船艏不同位置的三维船艏入水的过程进行数值模拟分析,研究了船艏结构入水砰击过程中结构响应问题。     

基于CFD的风电安装船首部砰击载荷分析

以国内某艘风电安装船为研究对象,基于计算流体动力学（computational fluid dynamics, CFD）在规则波（斯托克斯五阶波）作用下,研究其首部砰击载荷随波浪参数的变化,依据波浪高度与波浪长度不同,设计了3组不同波高和5组不同波长,对15种计算工况进行分析。在船首位置取16个观测点,计算各点处的砰击载荷,对不同波浪参数下的砰击载荷进行研究。计算分析得到：风电安装船作业中,随波高增大,船舶首部砰击载荷也增大,随波长增长,砰击载荷呈先上升后下降的趋势,并且当波长等于船长时,砰击载荷峰值达到最大。船首砰击主要是由船舶在波浪中出水、入水所致,因为距水线面越近的观测点受到的砰击载荷越大,所以需要重点加强距水线面近的船首位置。文中所述方法可为后续风电安装船结构强度设计提供一些有益参考。     

江海直达船艏部结构入水砰击试验

新一代江海直达船主要呈宽扁型且吃水较浅,由江入海航行时会发生船艏底部和外飘砰击,严重的砰击会造成船舶主动失速甚至结构损伤,影响船舶与人员安全。传统的理论和相关经验公式很难预报宽扁肥大的艏部结构的砰击载荷。相较于传统的简化模型试验方法,本文基于相似理论设计了与某新型江海直达船艏部结构相似的三维木质模型。采用落水试验的方法进行了一系列的不同落水高度及不同入水角度的入水砰击试验。研究江海直达船艏部结构所受砰击载荷特点,得到砰击压力峰值及其分布规律,同时发现了小角度入水情况下(入水攻角α5°)的空气垫效应,空气垫延缓并减小了砰击压力峰值。此外还回归了0°~15°入水攻角下的底部砰击压力预报公式,可供结构设计时参考砰击载荷的选取。     

大型半潜船球首设计及阻力性能对比分析

在船速较低的肥大型船舶上,安装球鼻艏会在很大程度上降低船舶受到的阻力,球艏对艏部型线有缓和的作用,使船舶艏部水流发生改变,减少艏底漩涡,从而降低形状阻力,进而改善船舶的水动力性能。根据设计的10万吨级半潜船船型的船模静水阻力试验情况,该船舶船首由直立型改为球鼻艏型式,通过对原型和改进后的船型的阻力试验结果进行对比,检验了新船型的减阻性能,同时对船尾伴流场进行了研究,发现船首形状改变对尾部半流场影响不大     

对船舶抗碰撞性能分析中的两个因素的评述

从以往的对船舶的抗碰撞分析研究中,发现有两个因素在很多分析中被忽略,一个是船舶碰撞中最易破坏位置的选择,另一个是在某些船舶舷侧舱水存在时忽略了其对船舶抗碰撞性能的影响.通过对典型结构进行仿真分析,指出船舶最佳碰撞位置的选择并非一定位于通常所认为的强框架中心点处,而是取决于板与加强筋的相对刚度,以及撞击船撞头的形状,以及通过某FPSO双舷侧结构为例分析了在舷侧舱水存在的情况下,由于撞击的短时和水的惯性迟滞效应,使得提高了船舶的抗碰撞性能.对这两个因素的分析有助于今后更加完善的对船舶抗碰撞性能进行评估.     

A comparison of hydrodynamic impacts prediction methods with two dimensional drop test data

The effect of hydrodynamic impacts on a ship's bow structure is an important design consideration. In addition, to possible failure to local structure, such impacts can generate slam-induced whipping loads, the magnitude of which when combined with ordinary wave induced loads, could lead to first passage failure of a ship's hull girder. This paper presents the results of a recent study that compares select methods of predicting hydrodynamic impacts with available test data of 2-D wedge shaped section shapes. Results based on peak pressures at different impact velocities are presented. The results are compared with traditional prediction theories of Wagner and Chuang.     

砰击载荷作用下船艏结构瞬态响应研究

砰击现象对高速舰船艏部局部结构破坏相当严重,对舰船和人员的安全构成较大威胁,然而由于砰击载荷的瞬态性和强非线性,其计算理论还很不成熟,舰船艏部结构在砰击作用下的应力响应更鲜有人研究。基于此,利用设计波下确定的砰击压力极值,结合以往试验测定的砰击压力随时间的变化关系,计算得到砰击压力的时空分布,然后将其施加在船艏精细有限元模型上,利用中心差分法进行数值计算,并对计算中一些关键参数的设置值做不同尝试,得到了较理想的艏部结构应力响应历程。     

超大型集装箱船艏艉砰击强度直接计算方法

超大型集装箱船的船艏显著外飘、船艉宽平外悬,使其在恶劣海况下航行时容易发生严重的砰击。为确保船体艏艉部结构在砰击中不发生损坏,需要研究作用到艏艉外板上的砰击压力,并以此为设计载荷来校核外板和相连结构的强度。目前对集装箱船砰击局部强度的校核要求仍以经验公式为主,但是为提高对超大尺度船舶强度校核的可靠性,近年来推出了砰击的直接分析方法。本文初步分析了砰击直接分析方法的基本原理,并运用该方法对20,000 TEU集装箱船的艏、艉部砰击压力以及最小板厚要求进行了研讨,其结果可为超大型集装箱船的结构设计提供重要的参考。     

An analytical method for predicting the ship side structure response in raked bow collisions

As an increasing number of ships continue to sail in heavy traffic lanes, the possibility of collision between ships has become progressively higher. Therefore, it is of great importance to rapidly and accurately analyse the response and consequences of a ship's side structure subjected to large impact loads, such as collisions from supply vessels or merchant vessels. As the raked bow is a common design that has a high possibility of impacting a ship side structure, this study proposes an analytical method based on plastic mechanism equations for the rapid prediction of the response of a ship's side structure subjected to raked bow collisions. The new method includes deformation mechanisms of the side shell plating and the stiffeners attached. The deformation mechanisms of deck plating, longitudinal girders and transverse frames are also analysed. The resistance and energy dissipation of the side structure are obtained from individual components and then integrated to assess the complete crashworthiness of the side structure of the struck ship. The analytical prediction method is verified by numerical simulation. Three typical collision scenarios are defined in the numerical simulation using the code LS_DYNA, and the results obtained by the proposed analytical method and those of the numerical simulation are compared. The results correspond well, suggesting that the proposed analytical method can improve ship crashworthiness during the design phase.     

基于船波相对运动的船艏砰击仿真方法

在分析船波相对运动表达式的基础上计算船艏典型剖面的船波相对运动,探讨船艏入水过程中的砰击问题,对比船体某剖面3种入水仿真模型计算所得的砰击载荷,讨论三维外形和航行速度对船艏剖面砰击外载荷的影响。在该分析中,船体在规则波浪中的运动用基于三维势流理论的水动力软件AQWA计算获得,船波相对运动通过理论推导计算获得,用对船艏结构施加强迫运动的方式模拟船波相对运动的真实过程。采用An—sys／Ls—Dyna软件的流固耦合分析进行入水仿真,流体划分为ALE体积网格,船艏视为刚体,划分为Lagrange有限元网格。对比结果表明：在三维模型中,相邻剖面引起剖面最大压力点处的液面变化对该点的砰击压力有增大效果,航速有增大剖面砰击压力的作用,减小船艏底部纵向斜升角有利于降低砰击压力。     

Numerical and experimental analysis of bow flare slamming on a Ro–Ro vessel in regular oblique waves

A method for the prediction of slamming loads on ship hulls is presented and validated for a 20-knot, 120-m car carrier. A nonlinear strip theory is used to calculate the relative motions of ship and wave. The relative vertical and roll velocities for a slamming event are given as input to the slamming calculation program, which is based on a generalized two-dimensional Wagner formulation and solved by the boundary element method. The method is fast and robust. Model tests of a car carrier have been carried out in regular head, bow, and bow quartering waves of various heights. Slamming on two panels in the upper part of the bow flare has been studied. It has been found that the water pile-up around the bow due to the forward speed of the vessel significantly increases the slamming pressures. A simplified way of including this effect is presented. When the calculated slamming pressures are corrected for 3D effects, they compare well with the measured data. Since the effect of the wave elevation due to the forward speed and the effect of three-dimensional flow act in opposite directions, excluding both of them produced results that also agreed quite well with the experiments, especially for the most severe slamming events.     

减摇复合船型首部构型设计与水池模型试验研究

船舶在波浪中航行时的纵向运动性能是衡量船舶综合航行性能的重要指标.为了改善船舶在波浪中的纵向运动性能,本文基于首部减摇组合附体技术对某型船首部构型进行改造并通过水池模型试验对其静水阻力和耐波性进行了分析研究.在分析该船作业及航区特点的基础上,通过船首部线型改造及减纵摇组合附体构型优化,给出适用于该船的首部构型方案.应用CFD软件和修正切片法进行水动力性能分析,并对船首构型方案进行优选.将优选出的性能较优复合船型方案和原船型开展水池模型静水阻力与耐波性对比试验分析,验证减摇复合船型的静水阻力性能与耐波性能.试验结果表明,改造后的复合船型减纵摇效果明显,对应实船四级海况18节航速下纵摇与首部加速度有义值较原船型降低15%以上;复合船型静水阻力有所增加,实船18节航速下静水阻力增加13.5%.