基于OpenFOAM的无转角和有转角楔形体舱段入水砰击载荷数值模拟研究

合理预报船首局部结构砰击载荷是船舶设计和研究者重点关心的问题。文章针对无转角和有转角楔形体舱段入水砰击问题,采用OpenFOAM开源软件,开发了基于两相流求解器InterDyMFOAM数值模拟结构入水砰击的程序包,开展了预报研究工作。数值模拟了入水过程的压力和加速度时域响应历程,与入水砰击模型实验进行了对比分析,吻合很好。同时讨论了网格划分等对结果的影响和砰击的三维效应。结果表明,本文提出的入水砰击载荷预报方法计算效率高,具有推广应用到预报复杂三维船首结构砰击问题的潜力。     

三维加筋板楔形体结构水弹性砰击的ALE数值模拟研究

合理预报船首局部结构砰击载荷及其结构应力响应是船舶结构设计人员所重点关心的问题。文章针对某钢制三维加筋板楔形体入水砰击问题,考虑其水弹性效应,采用ALE显式有限元方法开展了数值预报工作。数值模拟的入水加速度、加筋板结构的纵骨和横梁上应力响应等结果与模型实验的时域结果进行了比较,吻合较好。文中还讨论了数值模拟的并行计算效率问题。     

基于船波相对运动的砰击压力和上浪载荷预报方法

本文基于船波相对运动理论,对舷侧砰击压力和甲板上浪载荷的数值及试验预报方法分别进行了研究.利用三维势流理论计算船舶与波浪之间的相对运动,可以得到船波相对速度及甲板上浪高度.对于砰击压力通过数值模拟方法得到砰击压力系数后结合船波相对速度来预报;对于上浪载荷则采用考虑船舶航速的溃坝模型结合甲板上浪高度来预报.此外,开展了船舶运动和砰击压力模型试验,船波相对运动由沿着模型横剖面布置在舷侧的浪高仪测量,并且测得了相应位置处的砰击压力.最后分别对船波相对运动和砰击压力的数值结果与试验数据进行了比较分析,同时基于船波相对运动给出了一种砰击持续时间计算方法.     

船首外飘砰击载荷的数值预报

本文采用显式有限元方法预报船首外飘砰击载荷。通过对比小尺度外飘模型的自由落体砰击试验值和相应的数值模拟结果,验证了该方法在预报船首外飘砰击载荷方面的可行性。针对2种不同结构形式的实船尺度的外飘剖面,预报了剖面在船体与波浪相对运动规律下的砰击载荷,研究了流动分离后的二次砰击现象,并进一步探讨了网格密度和接触刚度参数对不同剖面形式外飘砰击载荷的影响。     

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。     

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。     

基于混合两步法的船舶砰击载荷预报研究

文章针对船舶结构设计时重点关注的艏部砰击载荷问题,综合考虑计算效率及精度,提出了基于势流理论和计算流体力学方法的混合两步法。第一步,采用三维势流理论预报波浪中有航速船舶的运动响应,分析船波相对运动;第二步,根据预报砰击载荷所在位置的船体横剖面,建立等截面的三维立体模型,采用基于有限体积法与动网格技术的计算流体力学方法,基于第一步得到的相对运动结果模拟落体入水过程,计算砰击压力。使用该两步法预报了某超大型油轮在压载工况顶浪航行时候的艏部砰击压力,并讨论了相对运动和砰击压力的时域历程规律。文中数值预报结果得到了水池模型实验的验证,表明该方法的可行性和预报结果的合理性。     

基于OpenFOAM的大型三体船连接桥入水砰击载荷数值模拟分析北大核心CSCD

[目的]旨在探究三体船连接桥落体砰击载荷分布规律。[方法]基于OpenFOAM开源软件以及连续性方程和N-S方程,建立三体船连接桥自由落体入水砰击数值模型,模拟三体船连接桥自由落体入水砰击过程中的速度、砰击压力以及自由液面动态变化,开展网格收敛性分析,验证数值计算方法的正确性,并将数值解与实验值进行对比。[结果]结果显示,所提模型能够有效预报三体船连接桥结构的落体砰击载荷,靠近外折角点的连接桥砰击压力系数最大,得到了连接桥下表面砰击压力峰值及砰击压力系数与速度的关系。[结论]研究给出的三体船连接桥入水砰击压力特性和范围可为三体船结构强度评估与结构设计提供数值基础。     

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。     

Review of ship slamming loads and responses

The paper presents an overview of studies of slamming on ship structures. This work focuses on the hull slamming, which is one of the most important types of slamming problems to be considered in the ship design process and the assessment of the ship safety. There are three main research aspects related to the hull slamming phenomenon, a) where and how often a slamming event occurs, b) slamming load prediction and c) structural response due to slamming loads. The approaches used in each aspect are reviewed and commented, together with the presentation of some typical results. The methodology, which combines the seakeeping analysis and slamming load prediction, is discussed for the global analysis of the hull slamming of a ship in waves. Some physical phenomena during the slamming event are discussed also. Recommendations for the future research and developments are made.     

Hydroelastic analysis of a rectangular plate subjected to slamming loads

A hydroelastic analysis of a rectangular plate subjected to slamming loads is presented. An analytical model based on Wagner theory is used for calculations of transient slamming load on the ship plate. A thin isotropic plate theory is considered for determining the vibration of a rectangular plate excited by an external slamming force. The forced vibration of the plate is calculated by the modal expansion method. Analytical results of the transient response of a rectangular plate induced by slamming loads are compared with numerical calculations from finite element method. The theoretical slamming pressure based on Wagner model is applied on the finite element model of a plate. Good agreement is obtained between the analytical and numerical results for the structural deflection of a rectangular plate due to slamming pressure. The effects of plate dimension and wave profile on the structural vibration are discussed as well. The results show that a low impact velocity and a small wetted radial length of wave yield negligible effects of hydroelasticity.     

箱形驳船底部砰击载荷及结构加强要求研究

针对箱形驳船,建立了三维水动力计算模型,对箱形驳船系列在设计海况下的船体与波浪之间的相对运动和相对速度做了短期预报。运用Ochi船舶砰击理论,分析了箱形驳船在不同吃水和拖航速度时船首砰击的发生概率和砰击压力极值等,并讨论了吃水、拖航速度等因素对箱形驳船底部砰击特性的影响。在此基础上,提出了箱形驳船首部砰击加强的临界航速建议,为箱形驳船规范中有关底部砰击载荷的修订提供参考和依据。     

客滚船首尾部砰击计算研究

客滚船的特殊线型——艏部外飘幅度较大和艉部的扁平肥大型结构,在营运过程中易受到砰击载荷的作用。由于该类船舶砰击问题显著,故一直是业内研究的热点。以某客滚船为例,针对其艏艉结构进行砰击计算,采用计算量适中,且可实现砰击载荷预报的频域法,将砰击载荷映射到相应各部分的有限元计算模型上,经计算分析,得到艏艉结构在砰击压力下的应力结果,最终实现对客滚船砰击强度的安全评估。整个计算探讨过程,可供同类船舶的设计研究人员借鉴。     

规则波和不规则波中船舶艉砰击及其振动响应的试验研究

在拖曳水池中对某船舶进行了艉砰击及其振动响应的试验研究.在规则波以及不规则波中的零航速、艉随浪情况下观察到了严重的艉砰击现象.试验数据分析表明,合成弯矩可以分成由波浪载荷引起的低频成分以及由砰击载荷引起的高频成分.由于严重艉砰击载荷的作用,发现在某次规则波试验中合成弯矩比波浪弯矩要大出44%,在3.24m不规则波中合成弯矩增加了43%.不规则波中的试验数据统计表明合成弯矩分布范围服从Weibull分布.推导了服从Weibull分布随机变量的短期概率极值预报公式,针对试验数据进行了预报.还讨论了试验数据分析中的不确定性问题.试验研究表明,对于艉部平坦肥大的船舶,在设计和使用中需要引起对艉砰击及其振动响应问题的重视.     

影响高速三体船连接桥砰击压力峰值因素研究

利用LS-DYNA仿真软件建立高速三体船连接桥结构二维有限元模型,计算其入水砰击问题。计算中考虑高速三体船的空气层、结构质量、连接桥宽度和主船体的舭升高角度因素对连接桥砰击压力峰值影响。通过分析,得出各个因素对高速三体船连接桥砰击压力峰值的影响规律。     

一种考虑砰击载荷的双体船湿甲板疲劳强度的计算方法

提出一种实用的计算和分析方法来考虑砰击载荷对双体船湿甲板处结构疲劳强度的影响,保证疲劳寿命预报的精度。首先,根据线性理论计算船体与波浪之间的相对运动和相对速度,并计算船体结构在波浪载荷作用下的应力响应;然后,计算湿甲板在砰击载荷作用下的非线性响应,再将线性响应与非线性响应通过方向性进行叠加,得到波浪载荷与砰击载荷联合作用的应力响应时历;最后,通过雨流计数法计算双体船在危险工况下的湿甲板疲劳损伤。研究结果可为考虑砰击载荷的双体船湿甲板疲劳强度评估提供一些参考。     

Prediction of slamming pressure considering fluid-structure interaction. Part II: Derivation of empirical formulations

This is Part II in a series of papers. Part I [1] investigated the slamming responses of flexible flat stiffened steel and aluminum plates using the nonlinear explicit finite element code LS-Dyna with the Multi-Material Arbitrary Lagrangian-Eulerian (MMALE) solver. Subsequently, a simplified finite element FSI model of water hitting structures that is realistically close to the slamming phenomenon occurring on the bottom part of offshore structures was proposed. The proposed FSI methodology presented in Part I was verified by comparison with the relevant test data. It was evident that the use of the proposed numerical method presented in Part I was very effective for a benchmarking investigation of slamming load considering the hydroelastic effect. However, the method required much effort in terms of computation time and power analysis resources. The present study, Part II, aimed, as an alternative to the FSI analysis approach, to develop empirical formulae for prediction of slamming loads acting on deformable flat stiffened plates used in marine applications. This paper begins by describing the limitations of the existing approaches based on theoretical, experimental and even numerical studies conducted in the past for estimation of slamming loads. Next, it presents, based on the simulation methodology developed in Part I, rigorous parametric studies that had been performed on actual scantlings of marine-seagoing structures. The effects of structural geometry and water impact velocity on slamming pressure are then investigated in detail. Subsequently, the parametric results are analyzed and utilized to derive empirical formulations for the prediction of slamming loads acting on flat stiffened plates of marine structures. The accuracy and reliability of the proposed formulations are established by comparison with the results of the test and other existing formulations. The proposed formulations are expected to be used for the purposes of the design without any time-consuming FSI analysis of advanced and optimal structures that are robust to slamming.