二维楔形体结构入水砰击数值仿真分析

随着船舶向高速化方向发展,首部砰击问题变得异常突出。本文通过楔形体入水砰击试验模拟船舶首部入水砰击现象并通过有限元仿真软件Ansys/Ls-dyna对楔形体入水砰击过程进行仿真分析,通过改变斜升角角度和楔形体下落高度研究砰击载荷的变化规律,并对楔形体入水时的压力变化及入水时液面抬升现象展开分析。研究结果表明,当楔形体表面与水面接触时,砰压立即增加,随后砰压会慢慢减小,最终趋于稳定。当楔形体的斜升角在变化时,楔形体的砰击压力也会随之变化,即当斜升角的角度越大,楔形体的砰击压力值就越小;当入水速度越快时,即入水高度越高时,砰击载荷的峰值也会越来越大,但处于同一速度（即同一高度）,在楔形体以不同角度入水时,当它们的角度越来越大,最后的砰击载荷峰值就会越来越小。研究成果可为船体首部砰击作用下砰击载荷的变化规律提供参考。     

基于气垫效应的二维楔形体入水砰击载荷预报方法研究

本文对二维刚性楔形体入水砰击问题进行研究,将数值模拟与模型试验结果进行对比分析,验证利用数值模拟方法研究入水砰击问题的可行性。获得气垫效应、斜倾角、入水速度对楔形体入水砰击压力峰值的影响规律,并分析了气垫效应对压力峰值的影响机理。最后对砰击载荷预报方法进行研究,获得不同斜倾角、不同速度下楔形体入水砰击压力峰值的预报公式。     

基于气垫效应的二维楔形体入水砰击载荷预报方法研究

本文对二维刚性楔形体入水砰击问题进行研究,将数值模拟与模型试验结果进行对比分析,验证利用数值模拟方法研究入水砰击问题的可行性.获得气垫效应、斜倾角、入水速度对楔形体入水砰击压力峰值的影响规律,并分析了气垫效应对压力峰值的影响机理.最后对砰击载荷预报方法进行研究,获得不同斜倾角、不同速度下楔形体入水砰击压力峰值的预报公式.     

二维楔形体砰击载荷研究

利用Fluent软件研究二维楔形体结构的砰击问题,考虑外部大气压重力以及网格影响等因素,建立二维有限元模型,对不同斜升角的楔形体结构以不同的速度进行等速入水的情况进行计算。研究发现,最大砰击压力随着楔形体斜升角的增大而减小,随砰击速度的增大而增大。     

二维楔形体入水问题的数值和实验研究

船舶在极端波浪条件下会产生剧烈的砰击,瞬时产生的巨大作用力会造成船体结构的损坏,因此准确预估入水砰击过程非常重要。本文通过数值和实验,分析楔形体入水过程中运动、受力以及自由表面的变化情况,验证光滑粒子流体动力学(SPH)方法在楔形体入水问题上的适用性和准确性,并使用此方法分析楔形体入水时楔形体斜升角和入水速度的影响。结果表明,光滑粒子流体动力学方法在解决入水问题上有很好的准确性,在楔形体受力和自由表面变形上与实验结果有很好的吻合度。通过计算发现,最大砰击力与楔形体斜升角的三次方成正比,与入水速度的二次方成正比,增大楔形体的斜升角和降低入水速度,都可有效减少入水砰击力。     

三维楔形体与圆锥体的砰击压力

基于有限元软件Fluent计算楔形体和圆锥体的入水砰击压力,并与试验结果进行比较,对于砰击压力分布及楔形体入水速度变化过程二者吻合较好。重点研究楔形体长宽比对砰击压力的影响。研究发现,楔形体长宽比对砰击压力影响较大,当楔形体长宽比大于3时,三维楔形体中横剖面的砰击压力计算可近似简化为具有同样剖面的二维楔形体入水问题。楔形体入水角对砰击压力极值的分布有很大的影响,相同入水速度条件下,楔形体的砰击压力极值比圆锥体的砰击压力极值大。     

二维物体入水砰击问题的理论方法研究

入水问题的研究在水动力学和海洋工程等领域有着重要的现实意义。文章采用Wagner模型的思想,将其中的相当平板理论改为椭圆拟合,得到了不同斜升角的二维楔形体匀速入水时的湿表面无量纲压力分布和砰击力,并与其它理论方法和数值计算结果相比较。椭圆拟合方法得到的压力分布在楔形体斜升角较小时与数值计算结果吻合良好,砰击力与数值计算结果在较大斜升角的情况下仍然很接近,比其它理论方法的适用范围更广,可以作为工程上估算砰击力大小的一种新方法。     

三体船砰击压力数值计算方法研究

基于冯卡门砰击理论的基本思想,对任意形状的二维剖面入水砰击问题进行了数值研究,并且将该数值计算方法应用在了三体船船首底部二维剖面的砰击压力计算中。首先采用源汇分布法对二维剖面在不同入水深度处的附加质量进行求解,进而计算得到附加质量随入水深度的变化。在剖面入水速度已知的情况下,即可求得剖面的砰击压力值。然后以二维楔形体入水砰击为例,采用本文的数值计算方法对不同底部升角的砰击压力系数进行了数值计算。并且将数值计算结果与模型试验数据进行了比较,结果显示在底部升角大于10°的情况下,两者符合良好,从而验证了该数值方法的可行性。最终,利用该方法对三体船船首底部二维剖面的砰击压力进行了研究。     

基于全船建模的航速对船首外飘砰击影响研究

建立二维楔形体入水模型,验证入水砰击仿真方法可靠性,对集装箱船体进行全船体建模,导入船体运动参数,增加船体的纵摇运动,采用一般耦合算法(General coupling),流体域用Euler单元模拟,船体设为刚体,划分为Lagrange有限元网格,对船体进行入水仿真。对比不同工况下的结果表明:全船模拟时船型纵向斜升角会发生变化,导致航速对船首入水砰击压力的影响较大,随着航速的增加,入水砰击压力变大,同时航速还会使砰击压力峰值位置发生变化。     

基于全船建模的航速对船首外飘砰击影响研究

建立二维楔形体入水模型,验证入水砰击仿真方法可靠性,对集装箱船体进行全船体建模,导入船体运动参数,增加船体的纵摇运动,采用一般耦合算法(General coupling),流体域用Euler单元模拟,船体设为刚体,划分为Lagrange有限元网格,对船体进行入水仿真.对比不同工况下的结果表明:全船模拟时船型纵向斜升角会发生变化,导致航速对船首入水砰击压力的影响较大,随着航速的增加,入水砰击压力变大,同时航速还会使砰击压力峰值位置发生变化.     

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OpenFOAM的楔形体入水问题研究

为了研究重力作用下,不同底升角的二维单楔形体和双楔形体匀速入水过程中的砰击压力分布,采用OpenFOAM开源软件建立基于粘流理论的CFD数值模型,采用有限体积法（FVM）离散由雷诺平均方程和连续性方程组成的控制方程组,采用流体体积法（VOF）来捕捉气液两相交界面。给出不同工况下的自由液面形状和楔形体表面砰击压力分布,并与前人基于势流理论的数值结果比对分析。研究结果表明,重力和底升角对砰击压力均有较为明显的影响,重力的作用与时间相关,双楔形体压力大于同底升角单楔形体压力。     

楔形与船首外飘剖面的砰击研究

文章通过分析MLM解析砰击模型,提出了一种更适用于大底升角楔形体砰击的半解析砰击模型。通过采用数值仿真技术对外飘剖面入水问题的研究,指出了现有规范方法存在的不足,并扩展了半解析方法来实现外飘剖面砰击压力峰值系数的预报。在楔形剖面与船首外飘剖面的入水砰击研究中,对比了半解析砰击模型和数值仿真技术的计算结果,验证了半解析方法的可行性。     

楔形与船首外飘剖面的砰击研究（英文）

文章通过分析MLM解析砰击模型,提出了一种更适用于大底升角楔形体砰击的半解析砰击模型。通过采用数值仿真技术对外飘剖面入水问题的研究,指出了现有规范方法存在的不足,并扩展了半解析方法来实现外飘剖面砰击压力峰值系数的预报。在楔形剖面与船首外飘剖面的入水砰击研究中,对比了半解析砰击模型和数值仿真技术的计算结果,验证了半解析方法的可行性。     

基于OpenFOAM的结构体入水砰击问题的研究

研究重力作用下不同底升角的单圆锥体和双圆锥体垂向入水过程中的砰击压力分布。用OpenFOAM建立基于黏流理论的CFD数值模型，在锥体表面设置监测点，得到不同速度下圆锥体入水时的自由液面形状和锥面上的压力分布，并分析它们与圆锥体底升角和入水速度的关系。研究结果表明：重力和底升角对砰击压力有较为明显的影响；在入水过程中双圆锥体之间相互干扰，锥面上压力增大。     

结构物入水砰击过程数值分析

采用MSC.Dytran软件对二维楔形体入水砰击过程进行数值模拟,分析考虑空气和重力因素的液面变化情况,总结入水速度、入水角度与砰击载荷的关系;对三维刚性船舶尾部结构入水砰击问题进行研究,得到曲率变化对结构砰击载荷的影响规律。     

三维对称楔形体入水的水弹性力学分析

结构入水砰击是一个很复杂的水弹性力学问题,在船舶与海洋工程领域,人们对其十分关注。本文借助模型试验和商用软件平台Ansys技术,对结构入水砰击过程展开研究。首先,自主设计入水结构模型、试验装置,通过布置在楔形体结构内的传感器,全程实时监测楔形体结构下落的压力变化。然后,基于试验结果,数值模拟了三维弹性楔形体的入水砰击过程。得到了砰击压力云图、等效应力云图以及流体的速度云图,对比分析了弹性体测点与试验中测点的砰击压力,验证了该数值模拟方法的可行性与有效性。     

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。     

空气层对高速三体船连接桥砰击压力峰值影响二维仿真研究

利用LS-DYNA仿真软件研究了高速三体船连桥结构的砰击问题,建立了二维有限元模型,对高速三体船结构以不同的速度进行等速入水的情况进行了计算.研究发现,存在于高速三体船主船体和辅船体与水之间的空气层充当了缓冲垫,大大减小了连接桥的砰击压力峰值.通过对压力峰值与速度平方比值的无量纲系数的回归分析,发现该系数随着入水速度的增加成二次指数递减趋势;其次是假想不存在空气层进行仿真计算,与考虑空气层的计算进行比较分析,量化空气层对高速三体船连接桥砰击压力峰值的影响,并得出随着砰击速度的增加,空气层对压力峰值影响逐渐变小.     

基于ALE算法的无转角和有转角铝制加筋板楔形体水弹性砰击的数值模拟研究

文章采用基于任意拉格朗日—欧拉(ALE)算法的显式有限元技术研究水弹性砰击现象,针对已开展的铝制加筋板楔形体结构入水砰击模型实验,开展了数值模拟比较工作。该楔形体底部斜升角为20度,底部两侧是包含三根纵骨和两根横梁的加筋板结构,两侧结构刚度不同。预报了模型无转角和有转角典型工况的砰击入水过程,得到的入水加速度、底部加筋板结构纵骨应力和横梁响应与模型实验结果吻合较好。研究表明该ALE算法具备模拟船舶局部结构的水弹性砰击流固耦合问题的能力。