考虑定常兴波影响的辐射问题去奇Rankine源方法数值计算

随着中高速船舶在海洋资源开发中的广泛应用,航速对船舶在波浪中摇荡运动的影响受到重视。本文基于势流理论,采用非均匀有理B样条(NURBS)表达物面,应用去奇Rankine源方法求解流场速度势;推导了兴波问题的二阶近似非线性自由面边界条件,以及考虑二阶近似非线性兴波影响的辐射速度势的线性自由面和物面边界条件。本文编程首先数值计算了Wigley船型的近似非线性兴波问题,将计算的线性和非线性兴波阻力系数与文献结果做了比较;然后数值计算了计及线性定常兴波影响的下潜圆球有航速辐射问题,将计算的附加质量和阻尼系数与文献结果比较。本文计算结果与文献结果吻合程度较好,验证了本文数值计算方法的有效性。文中还给出了兴波波形和辐射波形。     

弹性螺旋桨流固耦合振动特性分析

[目的]研究弹性螺旋桨在水流中的振动响应特性。[方法]基于CFD/FEM流固耦合方法,利用Workbench平台中的ANSYS-CFX模块对螺旋桨进行双向流固耦合水动力求解,分析弹性螺旋桨变形及应力应变响应特性;考虑到流固耦合对固有特性的影响,利用ACT_Acoustic模块计算桨叶湿模态,结合弹性螺旋桨固有特性和流固耦合水动力结果进行弹性螺旋桨频谱分析。[结果]流固耦合水动力结果相较不考虑流固耦合的定常计算结果更接近试验回归曲线;与干模态相比,弹性螺旋桨前5阶湿模态固有频率减小19%～37%,且四阶和五阶干湿模态振型存在交错情况。频谱分析结果表明,水动力轴向推力和扭矩是弹性螺旋桨在流场中振动响应的主要影响因素,且主要引起弹性螺旋桨的一阶湿模态悬臂振动;桨叶面上,从叶梢处到导边和叶中部分,再到随边部分,最后到叶根处,结构响应逐渐降低。[结论]所做研究可为弹性螺旋桨流固耦合计算分析提供方法途径,也为螺旋桨流固耦合振动噪声分析打下了一定基础。     

6750箱集装箱船非线性波激振动和颤振响应分析

本文采用三维时域非线性水弹性方法分析了一艘6750箱集装箱船的水弹性响应以及运动和垂向弯矩特征。通过考虑入射波力、静水恢复力、砰击效应的非线性,研究了在恶劣海况下船体的非线性运动和垂向弯矩响应,同时分析了波激振动及颤振对垂向弯矩的影响。数值计算结果表明:(1)非线性入射波力对运动的影响较小,但是对垂向弯矩的影响较大,使得其有明显的倍频成分,同时中垂弯矩显著大于中拱弯矩。另外,非线性入射波力也引起了明显的非线性波激振动;(2)非线性静水恢复力对运动和载荷的影响均较大,但是没有引起明显的非线性响应。非线性计算的垂荡响应小于线性结果,而纵摇和垂向弯矩响应大于线性结果;(3)砰击效应对运动的影响较小,但对垂向弯矩的影响较大,砰击效应引起了显著的船体弹性高频振动,增大了载荷幅值,但是其引起的合成中垂和中拱幅值相差不大;(4)非线性水动力的作用主要引起垂向弯矩的倍频响应,包括倍频可能引起的二节点垂向弯矩弹性共振,而砰击效应主要引起船体二节点垂向弯矩共振;(5)本文的非线性水弹性响应计算结果与Kim给出的数值计算结果吻合很好。     

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.     

基于水弹性方法的船体非线性波浪载荷预报

文章介绍了三维水弹性方法的基本原理,引进了一种三维非线性水弹性方法的数值算法。该算法以三维水动力理论为基础,充分考虑各种非线性效应,包括静水恢复力的非线性、物面非线性以及砰击力的作用,结合水弹性方法建立船体运动方程,并对船舶在波浪中运动受到的载荷进行预报。计算工况根据设计波法来确定,预报结果与线性计算结果进行了对比,差异主要体现在弹振和砰击方面。     

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。     

非线性兴波数值方法在高速三体船侧体布局方案比较中的应用

为使三体船侧体布局方案阻力性能比较更加可靠,对单体船非线性自由面边界条件的兴波阻力预报程序进行改进,成功开发了考虑升沉和纵倾影响的三体船非线性兴波阻力预报程序,对15种侧体布局方案的Wigley三体船兴波阻力进行计算,并将其与线性薄船理论计算结果、线性自由面条件的Dawson型方法计算结果、模型试验结果进行比较,表明非线性兴波阻力数值方法能够更好地反映三体船兴波阻力特性,用于三体船侧体布局优化设计时较其他2种数值方法更加可靠.     

波浪作用下带式舟桥的水弹性响应研究

对于设计和使用在波浪和流作用下作业的浮桥,充分了解其水弹性性能尤为重要.就在国防和桥梁工程中极为重要的带式舟桥而言,预报其在波浪中的水弹性响应在实际工程中就显得十分必要.该文主要研究带式舟桥在波浪作用下的水弹性性能.首先,简要地介绍了预报浮桥动力响应的不同方法及它们与试验比较的结果;其次,在三维水弹性理论的基础上采用模态叠加法对带式舟桥的有限元模型进行了水弹性分析,同时与十分之一模型试验结果做了比较(该试验由上海交通大学海洋工程国家重点实验室承担).研究表明,文中的方法计算分析波浪中浮桥的水弹性响应是可行的.     

波浪作用下弹性板的水动力响应

为准确预报聚焦波作用下弹性板的非线性动力响应，充分掌握极端波浪条件对超大型浮体动力响应的影响，选用一种基于离散模块-梁单元的水弹性分析方法，对弹性板在规则波和聚焦波作用下的不同响应特性进行研究。同时，开展水槽模拟试验，并将试验结果与理论结果进行对比，验证该水弹性分析方法的有效性。试验结果表明：基于离散模块-梁单元的水弹性分析方法在超大型浮体动力响应分析方面具有良好的准确性和简便性；在规则波作用下，随着规则波波陡和波长的增加，弹性板响应幅值增大；在聚焦波作用下，谱峰波长和最大波幅对弹性板响应的峰值和谷值有显著影响。     

深海系泊浮体物面非线性时域耦合动力分析

文章基于三维时域势流理论和弹性细长杆理论,研究并提出了深海系泊浮体物面非线性时域耦合动力分析方法。该方法采用时域物面非线性理论方法在瞬态位置直接时域模拟系泊浮体所需水动力,结合有限元方法计算系泊缆索的动力响应,利用异步耦合方法实现浮体和系泊缆索的时域耦合动力求解。既满足系泊浮体时域水动力耦合,又满足系泊浮体和系泊缆索动力耦合。通过对二阶非线性不规则波作用下深海系泊半潜式平台的时域耦合响应特性进行研究,将不同海况下物面非线性时域耦合静力响应和动力响应与间接时域耦合动力响应的三种方法计算结果进行比较。研究结果表明,系泊缆索动力响应明显,平台瞬态空间位置对垂荡低频运动影响较大,有必要在平台瞬时湿表面采用动力响应方法进行深海系泊浮体时域耦合响应分析。     

Analysis of hydrodynamic characteristics for arbitrary multihull ships advancing in waves

Multihull vessels have emerged as popular alternatives to conventional monohull ships for high-speed crafts. However, the bridging structures connecting the hulls are vulnerable to various wave actions and the wave impact on the bottom of them is the most serious problems associated with multihulled vessels. In this study, prediction of relative wave elevations under the bridging structures is investigated for multihull ships traveling with forward speed in waves. A computer code YNU-SEA using the three-dimensional (3D) Green function method with forward speed has been developed and used to analyze the hydrodynamic radiation and diffraction forces and motion responses for high-speed catamarans in waves. The results of the present calculations are compared with those of previous calculations as well as with experimental results. The numerical results reveal that the present computer code can be used as a powerful tool for the accurate numerical computation of seakeeping problems for multihull ships advancing in waves. Numerical calculations of wave pattern are also carried out including wave interactions between the hulls to analyze the effects of hull form on the free surface flow around catamarans advancing in waves. The analysis of the wave pattern allows the determination of relative wave height including radiation and diffraction waves. Finally, some discussions are included based on these numerical results which may be helpful for the accurate prediction of relative wave height and wave breaking load on the deck associated with multihull ships.     

Dynamic interaction of parallel moving ships in close proximity

Nowadays,there are many studies conducted in the field of marine hydrodynamics which focus on two vessels traveling and floating in sufficiently close proximity to experience significant interactions.The hydrodynamic behavior of parallel moving ships in waves is an interesting and important topic of late.A numerical investigation has been carried out for the prediction of wave exciting forces and motion responses of parallel moving ships in regular waves.The numerical solution was based on 3D distribution technique and using the linear wave theory to determine the exciting forces and ship＇s motion.The speed effects have been considered in the Green function for more realistic results.The numerical computations of wave exciting forces and motion responses were carried out for a Mariner and Series 60 for the purpose of discovering different Froude numbers and different separation distances in head sea conditions.Based on the numerical computations,it was revealed that the sway,roll and yaw have a significant effect due to hydrodynamic interaction.     

基于一个二维修正水弹性方法的集装箱船体梁动态前极限强度评估研究

海上极端波因其巨大的波高常常导致船体的极限破坏。该文提出了一个二维的修正水弹性方法来研究一个集装箱船船体梁在极端波中的动态前极限强度。传统的极限强度评估基于准静态方法,没有动态效应被考虑。而船体在波浪下的动态结构响应是基于水弹性方法,传统的水弹性方法并不能计算船体梁的动态非线性强度。该二维修正的水弹性方法考虑时域波浪和非线性船体梁之间的耦合,将水弹性方法和Smith方法结合,用Smith方法计算船体梁的刚度,而其刚度与船体梁的强度和变形曲率有关。所以该时域的非线性刚度被用于修改水弹性方法里的常数项的结构梁刚度。几组极端波模型被用以产生船体梁的大变形和非线性动态垂向弯矩。文中分别采用修正水弹性方法和普通水弹性方法,通过改变四个重要的极端波参数如极端波最大波高、规则波的波高、波速和波长等来研究其对船体梁船中处的大变形转角和非线性垂向弯矩的影响,通过采用修正的水弹性方法计算得来的结果与水弹性方法计算得来的结果相比较,得到了一些差异和结论。     

基于摇板式造波机的无反射造波仿真

在海洋工程水池试验中,造波机与模型之间的二次波浪反射严重影响试验结果的准确性和可靠性。在势流理论的基础上,采用边界元法建立了二维线性数值波浪水池。通过数值模拟结果与解析解的比较,证实该数值波浪水池的适用性。采用全相位频谱分析方法作为水动力反馈,对入射和反射波进行分离,以分离的反射波信号控制摇板运动以达到吸收二次反射波浪的目的。在此基础上,对摇板式造波机在数值波浪水池中进行了无反射造波仿真试验。仿真结果表明,采用无反射造波后,能有效减弱波浪的二次反射。     

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。     

3-D computational method of wave loads on turret moored FPSO tankers

A three-dimensional method of calculating wave loads of turret moored FPSO (Floating Production Storage and Offloading) tankers is presented. The linearized restoring forces acting on the ship hull by the mooring system are calculated according to the catenary theory, which are expressed as the function of linear stiffness coefficients and the displacements of the upper ends of mooring chains. The hydrodynamic coefficients of the ship are calculated by the three-dimensional potential flow theory of the linear hydrodynamic problem for ships with a low forward speed. The equations of ship motions are established with the effect of the restoring forces from the mooring system included as linear stiffness coefficients. The equations of motions are solved in frequency domain, and the responses of wave-induced motions and loads on the ship can be obtained. A computer program based on this method has been developed, and some calculation examples are illustrated. Analysis results show that the method can give satisfying prediction of wave loads.     

基于LQR限宽水域中KVLCC2操纵运动控制研究

在航道宽度受限制的水域中,船舶会受到岸壁效应的影响,横向力与首摇力矩将发生变化,这会对船舶的航行安全产生不利的影响.鉴于此问题,本文应用现代控制理论最优控制LQR方法,对在限制水域中航行的超大型油轮KVLCC2的操纵运动进行控制研究.为便于LQR控制器的设计,采用线性状态空间形式的操纵运动方程,基于数值模拟获取的相应线性水动力系数,计算出使目标函数值最小的增益矩阵K,从而得到满足最优控制规律的时域舵角变化,实现对不同宽度水域中船舶运动的最优控制,并与极点配置控制法作比较,验证LQR控制器的优越性.结果表明,当船岸距离d/L≥1.2时,船舶基本不受岸壁效应的影响,控制幅度极小;当岸壁距离d/L=0.25时,摆舵角度将超过6°,同时船舶前进速度也将下降,下降幅度将超过前进速度的10%,岸壁效应明显.     

一型小水线面双体船的水动力性能与结构设计

简要介绍了中国船舶重工集团公司(CSIS)建立和发展的一种小水线面双体船(SWATH)优化设计工程技术系统.主要包括SWATH船型的概念设计、主尺度与线型优化、有效功率预报、纵向运动稳定性校验及稳定鳍设计、耐波性预报、结构载荷评估、波浪中的船体结构动、静响应分析等有关设计、预报与评估的系统方法.并以一型1500吨级小水线面双体型海洋调查船设计和评估为例对有关设计方法进行了说明和验证,在该船设计中,采用线性和非线性三维水弹性理论来预报载荷与评估在波浪中航行船体的结构安全性,同时在中国船舶科学研究中心(CSSRC)的拖曳水池与耐波性水池中进行了阻力与自航、耐波性与操纵性、波浪载荷等船模拖曳及自航试验.文中还给出了该船有关优化设计及模型试验结果.     

考虑航速及自由液面影响的声介质中三维结构水弹性力学研究

基于Wu建立的带航速三维水弹性理论,采用考虑自由液面效应的理想可压流体Green函数,提出了带航速和考虑自由液面的声介质中三维水弹性结构声辐射计算方法.对THAFTS三维水弹性计算程序进行修改,得到声介质中三维水弹性计算程序.针对无限大流体中的静态弹性球壳结构声辐射模型进行一系列数值计算,通过与解析结果的比较,验证了该计算方法和计算程序的正确性.进一步计算不同潜深、不同航速下弹性球壳的结构声辐射,以此为基础对该计算方法和计算程序进行进一步考核,同时分析了航速和自由液面对水下结构声辐射的影响.