船舶结构钢海洋环境点蚀模型研究之一:最大点蚀深度时变模型

腐蚀是导致老龄船舶结构失效的主要原因之一.结合基本点蚀原理,本文对碳钢、低合金钢海水全浸带点蚀的主要影响因素、具体点蚀进程做了简要解释与评述.针对我国船舶结构常用碳钢、低合金钢的实海腐蚀试验观测数据建立了新型Weibull函数形式的点蚀最大深度模型.通过对比验证,证明采用Weibull函数表示点蚀最大深度随时间变化关系是合适的.     

船舶柴油机喷油泵柱塞穴蚀机理的数值仿真研究

针对船舶柴油机喷油泵柱塞螺旋槽上方壁面的穴蚀现象,建立了喷油泵柱塞与套筒模型,利用FLUENT软件对喷油泵内流场进行数值仿真计算,重点研究局部低压区、湍流涡团以及气泡析出、成长和溃灭过程。研究结果表明,柱塞螺旋槽与套筒回油孔构成的重叠开口的大小和形状对燃油流场具有决定性影响,产生低压区和湍流,生成的气泡溃灭时对柱塞螺旋槽上方壁面和回油孔内壁产生机械冲击,造成穴蚀。     

点蚀板在纵向压力下的极限强度研究

本文着眼于老龄化船舶结构上的局部点状腐蚀和整体点状腐蚀,利用非线性有限元软件分析了超过100个船体板结构的极限强度。研究了蚀坑形状、蚀坑位置、蚀坑大小、蚀坑深度和板的柔度对含局部点状腐蚀船体板的极限强度的影响,蚀坑分布、板的柔度和腐蚀体积对含点状腐蚀船体板的极限强度的影响。拟合出了单面、双面局部点状腐蚀下的船体板极限强度折减公式,单面、双面点状腐蚀下的船体板极限强度折减公式。并得到同时适用于局部和整体点状腐蚀板极限强度的公式。     

点蚀损伤船体结构板的极限剪切屈曲强度研究

腐蚀损伤导致船体结构板的极限承载能力大幅度下降。文章采用腐蚀体积描述板的点蚀损伤程度,模拟船体结构板的点蚀损伤形态,在点蚀损伤板模型中变化板的厚度、点蚀数目、点蚀直径以及点蚀分布等要素,实施系列有限元数值模拟计算,在进行理论分析的基础上,采用统计学方法,建立了点蚀损伤板极限剪切屈曲强度的评估方法,得到了点蚀损伤板极限剪切屈曲强度的计算公式。从而确立了基于腐蚀体积的点蚀损伤船体结构板极限剪切屈曲强度的评价技术,可为在役海船点蚀损伤后的安全性评估提供有效的技术手段。     

点蚀损伤板在复杂受力状态下的极限强度研究

采用非线性有限元软件模拟船底板单面点腐蚀,通过对边缘载荷系数比、蚀坑分布、直径、深度的改变,经过一系列的数值计算分析,结果表明横向载荷和侧压对板的极限强度影响不可忽略,计算板的极限承载能力时需要考虑计及侧压与横向载荷。在复杂受力状态下,就单考虑蚀坑深度时,板表面的蚀坑深度在0~0.5t区间变化时,极限强度相应的折减率比大于1/2板厚时更大,极限强度对蚀坑深度更加敏感。腐蚀面积不能有效表征腐蚀程度,当DOP系数相同时,点蚀后板的最小横截面决定了极限强度的大小。     

船舶动态多速度点的数值模拟研究

为了保障船舶安全,要求船舶沿航行线路稳定航行,当前船舶航运事业不断发展,船舶航行速度受环境、天气、洋流等多种不确定因素的影响,因此当前对船舶动态速度的研究仍存在较多困难,难以对其进行准确计算,易导致船舶航行晚点甚至超速碰撞等问题。基于上述原因提出结合水面微幅运动动力分析的方法对船舶动态多速度点数值进行模拟研究,对船舶的航行速度和水流速度进行综合分析和数值模拟,对湍流模型进行设计和计算,并将结果与实际检测数据进行比较,以便对该算法的准确性进行检验。最后通过仿真实验结果证实,该算法对船舶动态多速度点的数值模拟研究效果较好,计算与船舶的实际航行速度检测结果基本吻合。由此证实通过利用水面微幅运动动力分析法对复杂船型流动速度问题进行研究,可有效对航线阻力、伴流等问题,以便对船舶动态多速度点数值进行准确计算,并及时给出与船舶运行实际情况相一致的结果,以保障船舶安全航行。该方法为船舶航行速度优化计算方法提供重要的参考依据。     

G4135柴油机燃烧过程数值模拟的研究

采用三维CFD软件,以G4135直喷式柴油机为对象,运用多维燃烧模型,对缸内燃烧过程进行数值模拟。计算了不同曲轴转角下的气体速度、压力、温度、氧气浓度和碳烟浓度等,计算所得数据与相关文献相吻合。结果表明FLUENT所提供的燃烧模型可以作为预测柴油机缸内燃烧的一种有效手段,并为进一步研究同类型柴油机的燃烧性能提供了依据。     

腐蚀疲劳点蚀演化及腐蚀疲劳裂纹成核机制研究

作为一种不可逆的热力学过程,腐蚀疲劳的点蚀演化伴随着体系能量的耗散。文章基于热力学原理,对腐蚀疲劳点蚀演化过程中的能量问题进行探索性研究。引入双变量点蚀模型,建立点蚀演化过程中体系热力学势函数,推导了点蚀形状参数在演化过程中的变化方程,并分析了体系应变能、表面能和电化学能对点蚀演化形貌的影响机制及规律。根据裂纹成核位错机理建立了腐蚀疲劳裂纹成核临界条件的能量准则,并与应力强度因子准则进行比较,分析结果验证了能量准则的合理性。     

基于传质源项的水翼空蚀风险数值预报

随着舰船航速和吨位的不断提高及对推进效能要求的提升，船舶带空泡运行越来越常见，随之而来的空蚀危害也越来越受到人们的关注。然而，由于空蚀机理的复杂性，准确预报空蚀风险依然非常具有挑战性。本文以NACA 0009三维扭曲水翼为模型，首先采用大涡模拟方法对绕模型水翼空化流动的非定常特性进行数值模拟，并与高速摄影结果进行对比分析，结果表明，数值模拟较好地捕捉到了空化流动的非定常行为特征。然后在分析单空泡溃灭模型的基础上，提出当地压强、当地压强变化率及壁面累积能量三个预报水翼表面空蚀风险的参数。通过为三个参数确定阈值，可以获得空蚀风险区域及相对空蚀风险强度。采用基于传质源项的表达计算壁面累积能量大小，避免了差分格式误差。结果表明：预报的空蚀风险区域与试验结果吻合较好；其预报的最严重的空蚀风险区域处于片空化脱落区域，与试验结果亦吻合较好。     

船舶结构钢海洋环境点蚀模型研究之二:实船蚀坑形态与径深比时变模型

文章基于点蚀生长原理与实船蚀坑形态检测数据,对船舶受点蚀构件的两类主要蚀坑的形态、形成机制及其随船龄演化情况作了大致描述.认为遭受点蚀船舶构件的蚀坑形态与其所处位置、服役时间等密切相关;两类蚀坑形态差异的原因在于其各自点蚀进程中的具体控制因素及相应的影响程度存在较大区别.论述证明将点蚀蚀坑径深比处理成随时间变化的函数是有理论和事实依据的;并与点蚀深度模型相结合,依据Yamamoto实测散货船货舱区肋骨蚀坑数据建立了相应的蚀坑径深比时变模型.     

轴向压力下含点蚀损伤加筋板极限强度研究

点蚀损伤常发生于船体结构,将会造成结构的局部缺失而影响船舶结构的安全性.针对船体结构的基本构件加筋板,采用非线性有限元法研究轴向压力下点蚀损伤对其极限强度的影响,考虑点蚀位置、直径、数目、深度、点蚀损失体积等影响因素,分析船体加筋板极限应力和屈曲失效模式,获得结构的极限强度,拟合影响因素和加筋板极限强度的关系曲线,定性分析了点蚀损伤对加筋板的破坏.结果表明,点蚀损伤削减了加筋板极限强度;点蚀影响因素(点蚀直径、数目、深度、损失体积)对含点蚀损伤加筋板极限强度的影响近似呈现非线性的二次单调函数关系.     

桥架电缆群稳态温度场和载流量的数值计算

利用有限元法计算桥架内电缆损耗;然后在给定负荷下,耦合计算了含有传导、辐射、自然对流三种换热方式的桥架温度场分布;在此基础上,利用迭代法计算了不同回路数、不同环境温度下,桥架敷设三芯电缆的载流量。实验和计算结果表明,利用有限元计算桥架电缆群稳态温度场和载流量满足工程实际需求。     

圆盘水面弹跳过程运动特性数值研究

本文基于CFD方法对圆盘撞水弹跳过程的运动特性进行了研究,对三种典型撞水运动状态进行了模拟,数值结果与文献中的试验结果吻合良好.基于计算结果,获得了圆盘可以成功弹跳的初始参数组合范围.圆盘弹跳过程中,前方会产生一股射流,其脱离圆盘的射出速度可以达到入水速度的两倍左右.随着圆盘自旋速度的增加,圆盘受到的流体动力逐渐增加,但速度衰减也随之逐渐增加.相对较小的初始倾角和入水角总是有利于圆盘撞水后的弹跳,但过小的初始倾角可能会不利于连续多次弹跳过程.对圆盘连续弹跳过程的数值模拟结果表明,圆盘运动路线并非一直向前,而是受自旋影响运动方向有一定程度的偏转,圆盘第一次撞水弹跳的高度和距离远大于后面几次的弹跳过程.     

楔形体破舱漂浮过程数值研究

为了对破舱情况下的直升机水上漂浮运动进行预测，以简化的楔形体为研究对象，对其在底部破口情况下的漂浮过程进行数值模拟。在底部破口面积分别为底部总面积的2%、4%和6%的情况下，分析楔形体的漂浮特性与破口进水状况。还研究了底部破口形状及破口位置对进水流量及楔形体运动姿态的影响。研究结果表明：在漂浮前期楔形体会出现一定的浮沉运动；破口面积的增大使楔形体上浮速度峰值显著减小，还使楔形体倾覆时间提前，但对楔形体俯仰及偏航没有很大的影响；破口形状对于进口流量及楔形体漂浮姿态的影响不明显；贴近边缘处的破口更易使楔形体倾覆。这项研究可为破舱浮体漂浮运动预测提供参考。     

水下爆炸数值模拟联合算法求解结构稳态响应

在研究水下爆炸作用下加筋板架的稳态响应方面,以往的研究主要利用瞬态显式算法,得到的稳态响应结果存在一定的精度缺陷。提出一种改进的水下爆炸数值模拟方法。该方法利用ABAQUS/Explicit Standard算法,针对瞬态显式与稳态隐式静力分析,建立联合数值模拟方法。利用该方法分析某船体加筋板架的“瞬态稳态”响应。结果表明:联合“瞬态显式稳态隐式”算法的仿真结果与试验结果相差在10%以内,说明该方法可用于水下爆炸作用下加筋板架结构的响应分析,且采用联合“显式隐式”算法得到的结果更接近试验值,误差降低了39.8%。     

甲醇供给系统氮气吹扫过程的数值研究

氮气吹扫是甲醇供给系统工作流程中的重要环节,为探究不同氮气压力条件下的氮气吹扫时间(即排净时间)和氮气消耗量,结合均相流模型、标准k-ε湍流模型和VOF(Volume Of Fluid)多相流模型对0.7 MPa、0.9 MPa和1.1 MPa等3种氮气压力工况进行数值研究。通过计算稳态氮气单相工况验证网格无关性,确定网格节点数量为822万个。研究结果表明：排净时间与氮气压力呈线性关系,且随氮气压力的增大而缩短;氮气消耗量与氮气压力呈非线性关系,且随氮气压力的增大而增加。通过函数拟合得到排净时间和氮气消耗量的计算公式,并对比0.8 MPa和1.0 MPa 2种氮气压力工况下的数值计算结果与公式预测结果,发现排净时间的误差均小于0.5%,氮气消耗量的误差均小于2.0%,说明该计算公式是准确的。     

点蚀损伤对疲劳裂纹扩展影响规律研究（英文）

基于扩展有限元方法和低周疲劳分析技术,针对带点蚀构件,探究点蚀形式和点蚀尺寸对疲劳裂纹扩展的影响规律,并提出锥形蚀坑构件的疲劳裂纹扩展寿命周期预测公式。结果表明：当蚀坑深度和半径相同时,锥形蚀坑构件的疲劳裂纹扩展寿命最短,锥形蚀坑与疲劳损伤耦合效应最大,是工程中最危险的点蚀形式;锥形蚀坑的半径和深度对裂纹扩展的影响具有交互性,深度是较为重要的耦合影响参数。     

水下闭式循环动力系统动态过程数值仿真研究

水下闭式循环动力系统具有高比能量、大比功率以及无工质排放的优点,能够大幅提高水下航行器航速、航程、航深和隐蔽性.本文首次针对某新型水下闭式循环动力系统建立其动态模型,其中燃烧室模型考虑气相氢、氧气和液相冷却水的相互耦合作用,汽轮机模型考虑其转子惯性和容积惯性,冷凝器模型考虑3个相区:过热区、饱和区和过冷区.利用该模型对系统动态过程进行仿真分析,结果表明只要氢、氧气和冷却水流量在系统动态过程中保持一定的比例关系,则燃烧室温度基本保持不变,而燃烧室压力和汽轮机输出功率仅取决于总工质流量.该结论为制定系统解耦控制策略奠定了基础.     

水下闭式循环动力系统动态过程数值仿真研究

水下闭式循环动力系统具有高比能量、大比功率以及无工质排放的优点,能够大幅提高水下航行器航速、航程、航深和隐蔽性。本文首次针对某新型水下闭式循环动力系统建立其动态模型,其中燃烧室模型考虑气相氢、氧气和液相冷却水的相互耦合作用,汽轮机模型考虑其转子惯性和容积惯性,冷凝器模型考虑3个相区:过热区、饱和区和过冷区。利用该模型对系统动态过程进行仿真分析,结果表明只要氢、氧气和冷却水流量在系统动态过程中保持一定的比例关系,则燃烧室温度基本保持不变,而燃烧室压力和汽轮机输出功率仅取决于总工质流量。该结论为制定系统解耦控制策略奠定了基础。