恶劣海况下船舶砰击颤振响应特性数值计算与试验研究

[目的]针对恶劣海况下船舶所受砰击颤振响应现象,探究船舶非线性波浪载荷与瞬态高幅值砰击载荷的耦合作用。[方法]采用计算流体动力学与有限元方法（CFD-FEM）相结合的双向流固耦合方法对S175集装箱船进行数值仿真计算,并与试验结果及切片理论计算结果进行对比验证;采用分段变截面弹性龙骨梁模型开展船舶的砰击颤振特性模型试验,基于CFD-FEM双向流固耦合方法开展船艏砰击载荷及高频非线性砰击颤振响应特性分析,并与模型试验结果进行对比验证。[结果]结果显示,波浪砰击载荷对船艏颤振响应的影响不可忽视,6级海况下由砰击颤振诱发的二阶高频成分分量占低频波浪弯矩的59.86%。[结论]采用基于CFD-FEM的双向流固耦合方法可准确计算船首砰击颤振响应;在高海况下船舶所受非线性波浪载荷及结构动态响应易受船首瞬态砰击载荷的影响,在船舶结构设计与安全评估中需考虑高频砰击颤振的情况。     

砰击对大型船舶波浪载荷的影响研究

随着船舶向大型化发展,各船级社规范提供的船舶波浪载荷计算公式并不能充分表征与其密切相关的因素。大型船舶一般具有超规范船长、大艏部外飘结构、较高航速等特点,容易导致舰船砰击现象的发生,它是船舶设计波浪载荷确定的重要因素。以某大型船舶为对象,依据CCS规范、GJB/Z119指导性技术文件、船体结构设计准则计算方法,用实例计算分析了船舶波浪设计载荷。利用模型试验的方法研究了大型船舶波浪载荷与砰击载荷组合特征的变化,分析了船舶外飘角和刚度变化对砰击载荷的影响。研究结果可为大型船舶波浪设计载荷的合理确定提供参考,也可为相关船舶波浪载荷标准规范的制修订提供借鉴。     

半潜式平台总体波浪载荷的几种算法对比

文章介绍了半潜式平台总体波浪载荷的几种计算方法,通过对两座在建半潜平台进行波浪载荷计算,分析了不同波浪载荷计算方法的结果,总结不同波浪载荷计算方法的优缺点,为以后波浪载荷计算选取合适的载荷计算方法提供了参考。     

基于切片理论的波浪载荷直接计算

提出了波浪载荷直接计算方法。该方法基于线性切片理论,在频域范围内进行。通过水动力分析得出波浪载荷的响应幅值算子,采用统计方法对波浪载荷进行长期预报,并将线性波浪载荷预报结果进行非线性修正,以模拟实际波浪载荷的非线性效应。最后以某一船型为例,结合IACS推荐的波浪谱和波浪散布图以及超越概率,采用该方法进行了计算并将计算结果与规范值进行了比较。     

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。     

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Ansys/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。     

穿梭油船波浪载荷直接计算分析

为准确评估穿梭油船的波浪载荷,应用基于RANKINE源的三维线性时域波浪载荷计算方法,对一艘穿梭油船进行波浪载荷计算分析,根据北大西洋波浪散布图,对波浪载荷进行长期预报,计算得到不同超越概率下的波浪载荷长期预报极值。并且与DNV GL规范计算值进行比较,对比结果表明:对于该型船舶规范计算不能得到合理的波浪载荷,应该采用直接计算法来评估此类船舶的波浪载荷。     

不同海况下艏部砰击及鞭状效应的试验与数值分析

为了更深入地研究船舶的鞭状效应,在拖曳水池中对某船进行了艏部砰击及鞭状效应分段模型试验研究。提出了一种可以考虑砰击力的非线性水弹性计算方法。并改进了传统的分段模型,采用变截面梁对船体刚度进行模拟以更好地接近实船。在规则波迎浪下观察到了严重的艏部砰击现象。试验数据表明,当波高从5.6m增大到21m时,由于鞭状效应原因,总弯矩相比低频波浪弯矩的增大值从24.64%增长到92.02%。最后,将不同海况下的测量结果与基于线性与非线性水弹性理论的计算结果进行了比较分析,初步验证了文中方法和程序在预报船体波浪载荷中的适用性。     

VLCC直立艏结构优化设计

考虑到VLCC艏部采用直立艏线型设计能够提高船舶阻力性能,降低油耗,但是直立艏也会给结构设计带来一定问题,如总纵弯矩增加、艏部冲击载荷增大等,由此带来结构增重,根据VLCC实船设计经验,从艏尖舱类型、线型设计、冲击载荷计算、结构优化布置等方面进行讨论,总结出一套VLCC直立型首部结构优化设计方法,有效控制艏部结构重量。     

基于波浪增阻的长球艏球艉双体风电维护船研究

根据中国海上风电场维护船的使用要求和航行的环境特点,选取快速性和耐波性良好的长球艏球艉双体船作为风电维护船船型。利用基于CFD的数值仿真方法模拟长球艏球艉双体风电维护船在波浪中的纵摇和升沉运动,计算其波浪增阻。研究球艏球艉长度和片体干扰对长球艏球艉双体船在波浪中阻力性能的影响,为球艏球艉双体船以及风电维护船的船型设计与优化提供参考。     

水下软刚臂单点系泊研究

针对渤海浅水边际油田开采工程,提出一种可调节系泊臂铰接点高度的水下软刚臂(YOKE)单点系泊方案,无水上系泊塔,将军柱在水下,可根据作业水深调节系泊臂与船艏系泊支架的铰接点,能反复利用。水动力分析、数值计算和模型试验结果显示:数值计算和模型试验数据接近,系泊力和纵荡的误差在合理范围内,表明系泊方案计算合理。     

渔船型线优化及水动力性能研究

基于fluent数值模拟和模型试验相结合的方法,对某一渔船进行型线优化,通过CFD仿真技术进行多方案船型优选,开展船模试验以验证仿真结果,以优选出来的船型为基础进行艉部和球鼻艏的改型,并再次通过模型试验量化改型的效果。型线优化后明显改善了阻力、推进水动力性能,取得了较好的结果。     

用上翘型球首改善压载试航状态阻力性能

若干新船的模型阻力试验中~(［１,２］),尽管压载试航状态的吃水和排水量均比满载状态小得多,然而将试验结果换算到实船,却出现了试航状态的有效功率大于满载状态的意外情况。对此,设计部门和船东都不能接受。本文介绍一种上翘型球首,将它替代原型船首,可使试航状态的有效功率显著地降至满载状态以下。     

基于数值模拟的船艏抗气泡性能分析

对船舶静水中航行问题进行了CFD数值模拟,分析了船艏抗气泡性能。为获得船体周围气泡分布规律,在船前来流中添加气泡,并基于拉格朗日描述法追踪气泡的运动。根据计算得到的气泡分布特点,通过修改船艏线型改善了船舶的抗气泡性能。此外,开展了模型试验,通过船体表面的流线验证了数值模拟方法的可靠性。     

船舶球鼻首声呐导流罩连接结构设计及模型试验

  目的  新型舰船与钛合金球鼻艏导流罩一般采用螺栓连接,由于受艏部砰击和波浪载荷等交变载荷的影响,需要对钛、钢连接结构进行疲劳性能分析。  方法  首先,通过有限元法对实船钛、钢连接结构进行受力分析,并对钛、钢法兰连接螺栓的应力进行计算,然后,基于疲劳累积损伤理论和S-N曲线法计算得出钛、钢连接结构的疲劳寿命,同时根据实船钛、钢连接结构的受力分析,制定与之对应的疲劳试验方案,进行钛、钢连接结构的疲劳试验。  结果  结果表明,钛、钢连接接口螺栓的疲劳强度理论计算与试验结果基本一致,对钛、钢连接的疲劳性能分析方法合理。  结论  所建立的钛、钢连接接口疲劳性能分析方法可为钛和钢连接的连接型式、螺栓的选型及连接结构优化提供有益的参考和借鉴。     

舰艇球鼻首金属导流罩的结构声学设计

针对舰艇球鼻首为声呐服务的主要功能,为提高其透声性能,对新型金属双壳导流罩的声学设计进行研究。研究从金属单层板和双层板的透声基本原理开始,通过计算和试验分析双层平板的透声状况,并选取钛合金材料作为新型导流罩的建造材料,用理论公式和有限元建模两种方法计算整体球鼻首的透声状况。为保证真实性能,建造实体模型对其进行了试验验证。通过此项研究验证了这种双壳结构的金属球鼻首导流罩具有良好的透声性能,实验结果满足声呐的工作要求。     

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     

首压浪条对高速排水型艇航行性能的影响

快艇在高速航行时会产生剧烈的艏部兴波和干舷淹湿问题,通常需要采用适当的压浪措施来控制这些不利因素。为进一步研究干舷压浪技术在高速艇上的应用效果并与船艏压浪技术进行对比,基于某一细长高速穿浪船,对比这2种压浪技术对船体兴波、淹湿、运动、稳性和高速下横倾回复力矩的影响。船体淹湿、阻力和船体运动通过求解URANS方程和使用动网格技术获得,高速下的横倾回复力矩也通过求解URANS方程获得。计算结果表明,2种压浪技术均能有效控制船体淹湿,但干舷压浪设计能在船长范围内控制船体淹湿并具有更好的初稳性,在高速下也有更大的横倾回复力矩。自航模试验也验证了压浪干舷的可行性和良好性能。     

水线面大开口型工程船的阻力试验和节能措施

文章通过船模试验研究了水线面大开口型工程船的静水阻力和波浪阻力特性。结果显示,水线面大开口型工程船的艏艉开槽大大增加了船体的静水阻力,但对船体波浪增阻的影响却并不明显。同时,用模型试验和实船试验共同验证了此类船舶航行时双舵内偏一个角度能明显提高航速,是一项有效的节能措施。