基于ALE方法的平底结构入水冲击动力特性研究

结构冲击入水作为一种典型的流固耦合问题广泛存在于船舶与海洋工程领域,特别是作为海洋平台简化模型的平底结构有着重要的工程应用背景和学术研究价值。本文采用ALE算法对二维弹性平底结构等速冲击入水过程进行数值模拟和分析,分别采用Lagrange单元和Euler单元来表征结构和流体,并通过耦合算法实现对流固耦合过程的模拟,分别讨论不同质量、刚度及入水速度情况下空气垫现象对结构底部压力的影响。计算结果表明,平底结构入水冲击过程中,底部边缘处压力最先达到峰值,随后沿宽度方向向中心依次出现压力峰值,且结构等速冲击入水后的运动为自由振动。冲击压力的峰值随结构质量及刚度的增大而增大,同时冲击压力峰值与速度呈线性关系,随速度的增大而增大,底部斜升角对冲击压力峰值的影响十分显著。通过上述研究为工程应用中的结构强度设计提供重要依据。     

航行器斜入水跳弹现象研究

为避免航行器结构破坏和电子器件失灵,可以利用入水时的跳弹现象减小入水冲击。本文通过实验方法探究了入水条件对航行器入水过程的影响,研究了不同速度和角度下航行器的跳弹/下沉过程,得到了一个可以预测航行器跳弹/下沉的经验公式。撞水瞬间航行器的头部会受到很大的冲击力,利用CFX软件对航行器不同工况入水过程进行了仿真,计算了不同工况下航行器的压力响应曲线,可以为航行器高速入水时减小入水冲击力提供参考。     

弹性回转体入水砰击载荷预报

采用数值仿真方法分析三维弹性回转体的入水问题,分析不同厚度的回转体的砰击压力峰值的变化规律;讨论以一定初速度入水时结构弹性模量对砰击压力峰值的影响;分析了砰击压力峰值随初速度的变化规律.计算结果发现,弹性回转体的砰击压力峰值随厚度、弹性模量以及速度的增加而增加.提出了随结构厚度、弹性模量和初速度变化的弹性回转体砰击压力峰值的预报公式.     

基于双向流固耦合的航行体高速入水研究

基于弹性体假设对直径为0.533m、以100m/s速度入水的航行体建立了高精度流固双向耦合数值模型,并试验验证了该数值模型的有效性。进行了不同角度的入水仿真,获得空泡及载荷的演变规律。主要结论如下：随着入水角减小,喷溅水幕的闭合时间推迟,空泡非对称性加剧;弹性体在入水时承受的冲击载荷峰值小于刚性体,且呈振荡衰减趋势;航行体应力峰值呈圆环形分布,应力在入水初期出现峰值并振荡衰减,而且在尾部出现应力集中;斜入水时,应力分布及头部纵向变形不对称。随着入水角的增大,应力和应变的峰值增大,应力波传播时间缩短。     

三维回转体入水砰击载荷预报

采用数值仿真的方法研究了三维刚性回转体的入水问题,分析了不同回转角度的回转体的砰击压力峰值的变化规律,并研究了以一定初速度入水时,结构质量对砰击压力的影响。计算结果表明,恒速下降时,砰击压力峰值随角度的增加而下降;初速下降时,随着结构质量增加,砰击压力峰值先急剧增加,然后区域平稳。最后提出了不同回转角度、不同质量系数的回转体在初速下降与恒速下降时砰击压力峰值的预报公式。     

平底结构砰击压力的分布

物体以一定的速度撞击水面,会受到水的砰击力的作用.这种砰击压力持续的时间通常很短,但量值有时会很大.本文利用仿真软件对平底刚性结构的入水问题进行了研究,建立了二维有限元模型,对平底结构分别以不同速度等速入水的情况进行了计算.计算发现,在结构入水前瞬间,作用在结构上的压力迅速增大,在到达原静水面位置稍后的位置处达到峰值.压力持续的时间随着结构入水速度的增加而减小;砰击面上的压力分布也不是均匀的,在平底中心处最大,向两侧逐渐减小.作者在对砰击压力的作用时间和在砰击面上的分布情况做了详尽的分析后,导出了砰击压力在砰击面上分布和持续时间的计算公式.     

船艏自由落体砰击载荷模型试验研究

本文对船艏自由落体砰击载荷进行了模型试验研究,根据不同的落体高度与入水角进行了多次试验,研究了落体高度、入水角等因素对入水速度、砰击载荷及结构响应的影响。研究结果表明:船体入水速度、砰击压力、结构响应等随着落体高度的增大而增大;模型入水过程中,各测量点砰击压力峰值发生时刻存在一定的时间差;结构响应峰值发生时刻也存在一定的时间差;由于斜升角较小,球鼻艏底部的砰击压力峰值最大;外飘区域的砰击压力最大值仅为球鼻艏底部的30%～50%;同一水线面上,从船艏模型艏端向艉端砰击压力峰值逐渐减小;对同一横剖面,外飘下部区域的砰击压力峰值大于外飘上部区域的砰击压力峰值;由于砰击压力对外界影响因素非常敏感,砰击压力与结构响应具有一定的离散性。     

基于PVDF压电薄膜的入水冲击压力测试技术

本文针对入水冲击压力测试问题展开研究,自行设计了基于PVDF压电薄膜的传感器和用于标定该传感器的立式Hopkinson压杆标定系统,对PVDF压电薄膜传感器进行标定。在此基础上进行入水冲击压力测试试验,测得了不同入水速度下的入水冲击压力,并结合数值计算的结果对试验数据进行了对比验证,基本验证了基于PVDF压电薄膜的入水冲击压力测试技术的可行性。本文研究成果可以为射弹入水冲击压力的预报及测试提供一种技术手段,为结构设计提供一定基础。     

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。     

空腔结构入水冲击加速度和压力响应试验仿真分析

[目的]舰船与水砰击、空投鱼雷和飞机水上迫降时,结构物在与水砰击的过程中会受到较大的冲击载荷影响。对于舰船,它会严重影响船体结构和内部器件的功效以及舰员安全。为研究舰船与水砰击的问题,[方法]以楔形和弧形体为研究对象,使用自行设计的装置进行入水冲击试验,通过加速度计和PVDF压电传感器分别测量冲击过程的加速度和冲击压力。重点关注空腔的影响,基于楔形体和空腔空气仿真模型,采用ALE方法对不同入水工况下的加速度和压力响应进行仿真分析,并与试验结果进行比较。[结结果]分析表明:数值仿真结果与试验结果吻合较好,结构密闭空腔对加速度信号有重要影响;密闭空腔对弧形体的影响程度高于楔形体,对弹性体的加速度几乎没有影响,结构表面形状对入水冲击压力的影响较大。[结论]研究结果可以为入水结构的设计和结构冲击防护提供技术支撑。     

着速和着角对水雷入水过载影响的数值仿真分析

为了研究高速水雷入水时受到的过载情况,采用流固耦合仿真软件MSC-Dytran,对水雷击水问题进行数值模拟仿真研究。分别计算了不同入水情况下雷体指定部位的加速度响应随时间的变化。仿真结果表明水,雷冲击载荷随入水速度的增大而迅速增大,入水速度是水雷受到的冲击载荷大小的主要影响因素。对新型水雷的结构设计、引信的设计、水雷装药的安全性设计以及其他元器件的抗冲击设计提供有价值参考。     

A parametric study on water-entry of a twin wedge by boundary element method

High speed catamarans are used for pleasure, racing as well as passenger transportations. Optimal design of these crafts requires knowledge of sea loads exerted on their structures. The total load may be estimated by integration of loads exerted on a series of two-dimensional sections along the hull. In order to access the cross-sectional loads, the problem may be simplified to solve the water-entry problem of a twin hull. In this paper, water-entry problem of a twin wedge at constant vertical water-entry speed is studied. The problem is solved in the framework of potential theory using boundary element method where gravity effect on the flow is neglected. A simplified model based on Wagner theory is employed. Free surface elevation and pressure distribution on the body in different deadrise angles have been evaluated. A parametric study has been done to investigate effects of deadrise angle, distance between demi-hulls and free surface elevation on maximum pressure coefficient. Finally, a regression formula for maximum pressure coefficient has been proposed. Results of parametric study reveal that as time advances the interaction between two demi-hull gets more severe, besides the interaction effect on pressure coefficient is nonlinear.     

淹没条件下水射流喷嘴内外流场特性

基于水射流技术环保、取材方便和切割能力强的特点,提出一种应用水射流切割礁石的方法。通过建立二维平面数学模型,对淹没条件下高压水射流运动特性进行模拟计算。结果表明,射流初始段为冲击速度最大、动压最大且能量最为集中的区域。淹没水深0～30 m内,伴随着水深围压的增加,初始段速度衰减不足5 m/s,衰减程度仅约1. 5%。在水流流速0～5 m/s的淹没环境中,射流初始段受水流冲击作用影响较小,水平方向速度分量变化仅在8. 5 m/s内,射流未发生明显偏离,仍具备较好的冲击流态。     

细长前锥段超空泡航行器高速入水的载荷数值模拟

以具有细长前锥段的超空泡航行器为计算对象,利用动网格技术进行数值模拟,获得高速入水过程中的冲击过载,分析不同入水速度、通气与否时入水冲击过载的变化规律.研究表明通气可以有效地降低轴向过载,但对于法向过载,降载若使用通气方法,还须考虑空化器直径.     

垂直入水空泡内部压强分布数值研究

基于RANS方程,在VOF多相流模型中嵌入水蒸汽和水之间的质量输运模型成功实现了垂直入水空泡流的数值计算。通过与试验结果的对比说明了以上数值方法的可信性,并在此基础之上对带不同锥角头型圆柱体以不同速度垂直撞击自由液面后所生成的空泡内部压强分布进行了深入分析,结果表明:在入水空泡形成阶段,空泡内部压强会出现较大的降低现象,并随着空泡的发展压强值逐渐趋于稳定;空泡形成阶段空泡内部压强随入水物体头部锥角增加而增加;在开空泡阶段空泡内部压强低于环境压强,并随着入水速度增加而呈降低变化趋势,空泡内部压强轴向和径向分布较为稳定,没有较大的压强梯度;在空泡趋于闭合阶段空泡内部压强出现较大的波动,其变化规律与空泡内部空气复杂速度场变化规律相吻合。     

某软弱路基冲压与强夯处理对比试验研究

在某大型公路工程的软弱地基处理中，分别进行了冲击压实处理和强夯处理的试验。在2种施工方法的工后检测中，分别对于密度、压缩模量、面层强度等指标进行了对比研究，并对2种方法的工效进行了比较。研究表明：对于这种地下水位埋藏浅、压缩模量和标准贯人击数较低的软弱地基，冲压处理的效果和工艺效益均要优于强夯处理。     

江海直达船船首入水砰击研究

基于有限体积法的数值仿真方法对3种不同江海直达船船首的入水砰击问题进行了研究。建立包含气、水流场的三维有限元模型,研究了在自由液面的变化、空气层的作用下、不同垂向速度时3种船首入水砰击问题。结果表明,数值计算仿真的方法可以有效地模拟江海直达船船首入水过程中自由液面和空气层的变化情况。在此方法下,相同速度时西瓜首的砰击峰值优于其他船首形式。     

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。     

变刚度楔形体板架落体砰击试验研究

通过对具有四种刚度的两个二维楔形体板架的自由落体试验,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结构力学分析;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。通过试验,深入研究了折减系数与结构刚度的关系,并指出在船体局部结构设计中应充分注意刚度变化对折减系数的影响。     

回转体空化研究现状及展望

针对水下高速运动回转体周围必然产生空化现象的问题,阐述了空化现象的主要负面影响,详细介绍了回转体空化实验装置、回转体水下空泡流和出入水研究进展及成果,简要分析了回转体空化研究的发展趋势。