船舶对称响应的非线性水弹性微分分析法

本文给出了一个预报波浪诱导的船舶垂向运动和结构总体动响应的非线性时域水弹性力学微分分析法，这一理论是控制论的分析方法应用于船体与流体非线性相互作用研究领域的尝试，其流固耦合系统的非线性时域水动作用过程（含记忆效应）由一阶非齐次偏微分方程组来描述，理论预报与Ｓ１７５弹性材料船模型实验比较，结果令人满意。     

海洋浮体二阶非线性水弹性力学分析——基本理论

将考虑到二阶的流场压力在浮体瞬时湿表面上积分，得到用于非经恶性水弹性理论分析的广义一阶流体作用力和广义二阶流体作用力，广义一阶流体作用力中的波浪激励力，辐射力和恢复力和线性水弹性理论中的广义流体力具有相同的形式，仅比线性水弹性理论多了一项，反映了由刚体的转动引起的对一阶流体恢复力的影响，广义二阶流体力由五部分组成，即：与人射势和反射势有关的广义二阶波浪激励力，与辐射势有关的广义二阶辐射力，由辐射势与入射势及反射势的耦合引起的广义二阶力，由于湿表面的移动引起的一阶流场静态压力对广义二阶流体力的贡献，以及由于瞬时湿表面积的变化引起的广义二阶力，同时推导了不规则波中的广义一阶及二阶流体动力系数的表达形式。建立了在不规则波中航行浮体的线性和非线性水弹性运动方程，给出了求解方法，后续文章中将给出海洋浮体二阶非线性水弹性力学分析的部分数值计算结果。     

系泊多浮体系统流固耦合和浮体间耦合动力分析

利用多刚体力学运动学方法进行系统铁数学描述。以系统摇荡时各浮体质心位移和浮体角位移表达广义速率。进而表达出有关偏速度、偏角速度、加速度和角加速度。单个系泊浮体在规则波作用下，所受的流体动压力用势流理论计算。多浮体系统摇荡时除入射规则波外，每一浮体的摇荡辐射波对其他浮体也构成了入射波并作用以流体动压力。表达出系统的广义主动力和广义惯性力后代入Kane方程，补充以浮体间的运动约束方程，消去时间因子后得到求解各浮体质心位移和浮体角位移的复数线性代数方程组。     

水中三维结构的湿模态分析方法

水中任意几何形状结构的流固耦合振动特性的研究对船舶及海洋工程应用具有很大的价值。本文利用三维水弹性分析方法计算流体附加质量和恢复力系数，然后求解由结构的干模态广义质量、广义刚度及流体附加质量、流体恢复力系数所构成的耦合特征方程，从而获得结构的湿模态及特征频率。计算结果与整体弹性船模式试验结果吻合。     

复合结构与声学介质相互作用的广义Hamilton原理

本文从包含弹性材料和粘弹性材料的复合结构与声学介质相互作用的有关混合边值问题出发，针对声波特点，推导了一种广义形式的Ｈａｍｉｌｔｏｎ原理，最后给出了有限元形式的运动方程组，它的建立为研究与流体耦合的粘弹性阻尼机理及其对与流体耦合的复合结构振动特性的影响打下了基础。     

张力腿式浮式风机平台的水动力和空气动力耦合响应分析（英文）

文章采用了空气动力、水动力、控制与弹性完全耦合的时域模拟方法研究了张力腿式浮式风机平台的动力响应。水动力载荷的计算采用了三维势流理论与Morison公式。空气动力载荷的计算采用了叶素动量理论和广义动态尾流理论。利用FAST软件得到了张力腿式浮式风机平台响应的时域结果,并分析了其动力响应特性。建立了描述平台纵荡运动的非线性微分方程,并采用了摄动方法求得其近似解,解释了纵荡运动中由非线性粘性效应引起的高频响应。对数值模拟结果的分析表明高频的响应分量对平台的动力性能有显著的影响。     

不同碰撞角度下水-船-墩流固耦合数值模拟研究

为研究不同碰撞角度下流体对船桥碰撞过程的影响，本文建立了水-船-墩精细化流固耦合模型，流体域采用ALE描述，船-桥结构采用Lagrange描述，通过罚函数算法实现结构-流体间的耦合。通过数值造波结果与解析解对比，验证了数值水池和耦合接触算法的可靠性。随后在0°～45°范围内开展了碰撞数值模拟，并与附加质量模型在能量转化、碰撞力、桥墩内力及位移、船舶损伤及航迹方面进行了对比。结果表明：流体对碰撞力影响较小；附加质量模型会略微夸大桥墩位移，但差别较小；两种模型的船舶撞损差别较大，不考虑流体时将夸大船舶撞损程度，最高可达21%；流体对船舶航迹与姿态会产生显著影响，流固耦合模型中船舶会明显滞后于附加质量模型。     

张力腿式浮式风机平台的水动力和空气动力耦合响应分析

文章采用了空气动力、水动力、控制与弹性完全耦合的时域模拟方法研究了张力腿式浮式风机平台的动力响应.水动力载荷的计算采用了三维势流理论与Morison公式.空气动力载荷的计算采用了叶素动量理论和广义动态尾流理论.利用FAST软件得到了张力腿式浮式风机平台响应的时域结果,并分析了其动力响应特性.建立了描述平台纵荡运动的非线性微分方程,并采用了摄动方法求得其近似解,解释了纵荡运动中由非线性粘性效应引起的高频响应.对数值模拟结果的分析表明高频的响应分量对平台的动力性能有显著的影响.     

粘性流体晃荡与弹性结构的相互耦合作用

提出了处理粘性流体晃荡与弹性结构相互耦合作用的理论及相应数值计算方法.流体运动采用N-S方程描述,控制方程采用有限差分法离散,并由超松弛迭代法求解.液体自由表面通过流体体积法进行重构.为了考虑液舱结构变形对液体晃荡的影响,应用了FAVOR技术.由此建立了描述液体晃荡与结构相互耦合作用的水弹性理论,并由相应的计算方法进行了系列运算,以考察二维液舱不同结构刚度对液体晃荡的影响.计算结果有助于进一步理解此类问题的物理现象.     

复合结构与流体耦合运动方程的时域分析方法

本文就复合结构与流体耦合的时域运动方程，利用核函数矩阵的特点，将二阶微分积分方程变形为Ｖｏｌｔｅｒｒａ型积分方程，然后引入积分变换，得到一组一阶常微分方程组。该微分方程组的形式与现代控制论中的状态议程类似。     

管路消振器降低管路振动与脉动压力

提出了一种既能减小管路振动又能衰减流体压力脉动的管路消振器结构。该结构将流体消振器扩张室设计成弹性壁，随着流体脉动压力的变化，使扩张室的体积发生变化，以降低不可压缩流体脉动压力。理论计算和试验验证表明，该弹性壁结构对降低管路流体脉动压力和振动是可行的。在80Hz以内理论计算值与试验值较为一致。从实际配机试验结果看，该结构对管路流体脉动压力以及管路机械振动有相当明显的衰减效果。     

波激振动的理论预报及与实船试验结果的比较

本文研究一艘大型海船的波激振动问题。该船在运行过程中发生了频繁的波激振动，导致严重的结构裂纹。文中对四种预报船体波激振动响应的理论及其计算机程序进行了描述。这些理论在计算水动力载荷和结构振动时具有各自的特点，如：线性、二阶、非线性、频域、时域、二维和三维等。相应的程序(WASIM，SOST，SINO和VERES)对低频波浪诱导响应预报已有较多的验证。文中对各程序在波激振动预报中的前提条件作了说明。计算中进行了参数敏感性分析并给出了主要结果。在与实船试验结果的比较过程中选择了十个不同的工况，对其海况、航向和试验现象给出了简要描述。对低频波浪诱导和高频波激振动响应分别进行了比较，得出了一些有意义的结论。     

老龄化船体结构的腐蚀疲劳风险评估

提出了对由于腐蚀和疲劳而引起的船体结构极限强度老化进行风险评估的方法。提出了由腐蚀增长、疲劳裂纹和腐蚀一疲劳裂纹联合作用引起的船体强度降低的随机时域函数模型。并利用二阶可靠性方法计算主要船体结构的瞬时可靠性。提出了进行老龄化船体结构时域可靠性分析的方法，用统计和概率的方法描述了腐蚀和疲劳裂纹参数对老龄化船体结构可靠性的敏感度。最后以一艘老龄化油船的结构为例进行了验证。     

波浪与带有窄缝结构作用的非线性数值模拟

针对波浪与带有窄缝结构作用产生的流体共振问题,采用基于域内源造波技术的时域高阶边界元方法并在窄缝内流体引入人工阻尼,建立了自由水面满足完全非线性边界条件的二维时域数值波浪水槽模型。求解中采用混合欧拉-拉格朗日方法追踪流体瞬时水面,运用四阶龙格库塔方法更新下一时间步的波面和速度势,利用加速度势的方法来求得作用结构上的瞬时波浪荷载。通过与已发表文献的数值与实验结果对比,验证了模型的准确性。同时通过大量的数值计算研究了共振条件入射波浪非线性对反射波高、透射波高和窄缝内波高、及结构波浪荷载和压力分布的影响。     

基于有限元法的流体与结构的耦合研究

对有限元法离散流固耦合方程进行了简要的介绍,给出了粘性流体与弹性结构的全耦合模型。流体采用k-ε湍流模型进行了有限元计算,采用ALE描述实现固体Lagrangian描述到流体Eulerian描述的过渡,使大变形带来的流体域网格畸变得以避免。对流固耦合方程,采用流固全耦合的迭代算法进行了迭代求解,最后模拟了高雷诺数下湍流流动中冲击致使涡轮结构旋转的过程。计算结果表明,流固耦合的算法是可靠的。     

海洋浮体非线性水弹性力学分析--结构非线性的初步考虑

前文^[1-3]分别介绍了二阶非线性水弹性分析中流体非线性的理论与部分典型算例结果。本文则在流体线性假定的前提下，介绍结构非线性的考虑方法。以大变形浮动平板在多向规则波中的运动与变形响应为例，介绍了板垂向位移与流体相互耦合的频域分析方法。讨论了板内薄膜力对结构变形与受力的影响。数值算例表明，薄膜力对变形、弯矩和应力都有一定程度的非线性贡献，在某些情况下是不可忽略的。     

浸水板式结构的动力特性与声辐射特性数值分析

以镶嵌在无限大刚性障板上的板和板加筋结构为研究对象,应用Rayleigh积分计算得到流体对结构的加载效应以附加质量的形式,叠加到有限元离散的结构动力方程中进行耦合.针对附加质量矩阵不对称的特点应用Lanczos-QR算法求取非对称阵的广义特征值和特征向量问题,基于结构表面振速计算声功率,并基于能量的概念计算声辐射阻尼.研究分析了流体可压缩性、附加质量计算频率、板厚以及加筋方式对板式结构的振动特性影响,和流体特性、激励位置、板厚、加筋方式、边界条件对板式结构的声辐射特性影响,为板和板加筋结构振动噪声预报提供了一定依据.     

损伤结构承载力的估算方法

在前人试验研究成果的基础上，将模糊数学理论和广义量化分析原理有机地结合起来，建立了损伤结构承载力估算的模糊广义量化模型，即首先对损伤结构的破损状况进行模糊综合评估，得到模糊评价集，然后利用广义量化分析原理建立其承载力与模糊评价集之间的量化关系。本文的研究成果可为损伤结构维修决策的制定提供依据。     

浮式风机动力系统的线性耦合动力学分析

浮式风机的前期开发需通过大量的方案比选确定结构基本形式和主尺寸参数，对动力学数值模拟效率提出了较高的要求。与时域非线性耦合模拟法相比，频域线性模拟法更适用于概念设计阶段。对此，文章提出了一种高效的线性耦合数值分析方法。采用了九自由度动力学模型描述浮体、塔筒以及叶轮的运动，对结构动力、气动力以及水动力问题进行线性化处理后，将动力学控制方程写成状态空间表达形式，进而推导出环境扰动-结构响应的传递函数，实现结构-控制系统在频域内的联动求解。为了验证模型的有效性，以时域非线性耦合软件Open FAST作为参考，对比了某半潜式风机在风浪联合工况下的运动响应。结果表明，线性模型的响应标准差相对误差大多在20%以内，而计算效率有大幅度提升，为概念设计阶段的结构选型及主尺寸优化设计提供了高效的分析工具。     

水下非接触爆炸时舰船——坐姿舰员系统仿真模型

本文给出了一个舰船一舰员在受到水下非接触爆炸攻击时的冲击动响应的系统仿真模型。用二阶双渐近似方法对舰船结构在水下爆炸冲击作用时的时域动响应进行理论仿真。然后用非线性四自由度集总参数模型表征坐姿船员，可以进行舰员的时域响应理论仿真计算，这个系统模型对舰艇和舰员安全设计可以起指导作用。