基于DYTRAN的船艏砰击响应仿真分析

船舶在波浪中航行时,由于船体和波浪之间的剧烈相对运动,会出现砰击现象。与波浪发生直接冲撞的船艏是砰击现象发生最严重的区域,会引起局部结构屈曲变形。本文基于有限元软件MSC.PATRAN、MSC.DYTRAN软件,对船艏不同位置的三维船艏入水的过程进行数值模拟分析,研究了船艏结构入水砰击过程中结构响应问题。     

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。     

江海直达船艏部结构入水砰击试验

新一代江海直达船主要呈宽扁型且吃水较浅,由江入海航行时会发生船艏底部和外飘砰击,严重的砰击会造成船舶主动失速甚至结构损伤,影响船舶与人员安全。传统的理论和相关经验公式很难预报宽扁肥大的艏部结构的砰击载荷。相较于传统的简化模型试验方法,本文基于相似理论设计了与某新型江海直达船艏部结构相似的三维木质模型。采用落水试验的方法进行了一系列的不同落水高度及不同入水角度的入水砰击试验。研究江海直达船艏部结构所受砰击载荷特点,得到砰击压力峰值及其分布规律,同时发现了小角度入水情况下（入水攻角α<5°）的空气垫效应,空气垫延缓并减小了砰击压力峰值。此外还回归了0°~15°入水攻角下的底部砰击压力预报公式,可供结构设计时参考砰击载荷的选取。     

江海直达船艏部结构入水砰击试验

  目的  疲劳损伤是船舶工程中常见的结构损伤形式之一。江海直达船的结构要求比海船低、比江船高,还要求承受在江、海水域航行时不同波浪载荷的作用,其环境载荷复杂,结构疲劳问题有待深入研究。  方法  在某江海直达集装箱船的基础上,结合谱分析法,以若干个舱口角隅点作为研究对象,进行江海直达船的结构疲劳性能研究;参考中国沿海长期波浪载荷数据,计算不同校核点处的疲劳损伤规律,研究疲劳损伤关于各短期海况的分布差异。  结果  分析结果表明,海域疲劳损伤主要由有义波高为2.5~5 m和跨零周期为6~8 s的波浪所贡献。  结论  考虑了江、海波浪联合作用后,目标船舶的结构疲劳寿命显著增加,而对江海直达船进行结构疲劳研究时,仅考虑海上波浪环境是不精确的。研究结果可为今后江海直达船的结构疲劳设计提供依据。     

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。     

船艏底部砰击压力概率预报方法研究

在Ochi概率统计方法的基础上探索一种适合于非常规船型船艏底部砰击压力的概率预报方法。该方法在时域中计算船舶在波浪中的运动响应,基于Msc.Dytran计算砰击压力系数,在此基础上采用蒙特卡罗法对砰击压力的概率特性进行预报。分析了砰击时的船波相对速度和波面倾角对压力系数的影响。研究结果表明,船舶在静水和波浪中的砰击压力特性有很大差异,在波峰与波谷处发生砰击时产生的砰击压力大于在波面其它位置产生的压力值,相对速度对砰击压力系数的影响在波面不同位置呈现出不同的特点。     

基于Ochi-Mottor理论的船艏底部砰击评估方法

针对船舶在恶劣海况下航行时的砰击问题,在船舶设计阶段应用《钢质海船入级规范》(2016)中有关船艏底部砰击强度评估的方法,采用较普遍的Ochi-Mottor理论进行砰击压力极值计算预报,选取散货船最小艏吃水装载工况,运用Sesam-HydroD三维耐波性程序直接计算砰击压力极值,根据具体的加载方式与位置,依次对船艏底部外板、纵骨、板架进行强度评估,针对砰击区域出现应力过大的板架结构,提出封堵减轻孔或增加三角肘板的建议。     

半潜船艏部船底砰击加强结构的设计及计算

以一艘油改半潜船为研究对象,分别采用传统规范经验公式法和直接计算法进行艏部底部砰击加强结构的设计及计算。研究结果表明:利用直接计算法形成的方案较规范经验法形成的方案有较大优化,大幅减少了物料使用量,降低了施工难度并节约了成本。直接计算方法是一种合理、高效的方法,可供其他船舶设计时参考使用。     

长艏楼船型艏艉砰击响应试验分析

针对长艏楼船型遭遇的艏砰击及艉砰击现象,采用一系列规则波下的分段模型试验测得典型剖面处的垂向弯矩响应,通过时域向频域的变换获取响应值的非线性砰击弯矩成分,综合分析艏艉砰击载荷下船体的垂向弯矩响应,以及浪向、波高、航速等参数对响应特性的影响。     

砰击载荷作用下船艏结构瞬态响应研究

砰击现象对高速舰船艏部局部结构破坏相当严重,对舰船和人员的安全构成较大威胁,然而由于砰击载荷的瞬态性和强非线性,其计算理论还很不成熟,舰船艏部结构在砰击作用下的应力响应更鲜有人研究。基于此,利用设计波下确定的砰击压力极值,结合以往试验测定的砰击压力随时间的变化关系,计算得到砰击压力的时空分布,然后将其施加在船艏精细有限元模型上,利用中心差分法进行数值计算,并对计算中一些关键参数的设置值做不同尝试,得到了较理想的艏部结构应力响应历程。     

砰击载荷作用下船艏结构瞬态响应研究

  目的  为了提高砰击载荷对舰船疲劳损伤影响计算的准确性,提出一种计及砰击载荷的疲劳损伤直接计算法。  方法  首先,将非线性载荷的时域计算与线性频域的谱分析方法相结合,基于梁理论得到舰船短期海况下的应力时历;然后,采用雨流计数法和S-N曲线计算出考核点的损伤;其后,参考中国船级社（CCS）指南计算计及非线性砰击载荷对疲劳损伤的贡献度及影响系数,再结合谱分析方法修正对应的应力响应传递函数;最后,对应力谱进行计算,得到计及非线性砰击载荷的疲劳损伤。  结果  结果显示,相比传统谱分析方法,采用计及砰击载荷的舰船疲劳损伤直接计算方法得到的损伤结果其损伤度约增加了10%~50%。  结论  研究表明,对航行于恶劣海况下的舰船进行疲劳强度评估时,使用所提方法可以提高载荷计算的准确性。     

不同海况下小侧体三体船的艏部结构砰击特性

本文运用CFD软件STAR-CCM+建立三体船在波浪条件下的三维砰击模型,采用重叠网格技术结合船舶六自由度系统模拟船体的砰击运动,对不同波高、波长以及不同航速下的船体砰击进行数值模拟,对比分析各工况下船体结构的运动响应和砰击特征。数值模拟结果表明：航速变化对船体砰击压力有显著影响,而波高和波长的变化对砰击压力影响较小但也不可忽视。     

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。     

船艏横向加强框架对船艏耐撞性能的影响

在撞击过程中船艏结构的典型损伤是外壳板和内加筋的褶皱，撕裂和弯曲。在以前的船舶结构的碰撞分析的简化方法或数值模拟中往往略去横向肋骨框架对船艏碰撞性能的影响。本文利用有限元数值仿真方法研究了横向肋骨框架在碰撞损坏过程中的作用，发现其对船艏结构的损伤形态、碰撞力及能量耗散有重要影响。因而是碰撞计算中不可忽略的因素。     

双体船砰击载荷数值仿真分析

采用Sesam软件计算出船舶相对运动及砰击瞬时船舶与波浪之间的相对速度,采用FLUENT和MSC. DYTRAN软件计算出船体各点的砰击压力系数,最终计算出不同海况条件下各点的砰击压力,对双体船砰击载荷沿船长及高度方向的分布进行了分析,并讨论结构弹性效应对砰击载荷的影响。     

砰击载荷作用下船体局部结构优化设计

本文以某船船首结构为研究对象,基于Fluent与Sesam分别计算了船体砰击压力系数和砰击瞬时船体与波浪之间的相对速度,采用"两步走"的方法对船首底部及外飘处的砰击载荷进行研究。考虑砰击载荷在船首区域的时空分布,将该载荷分区施加在船首结构表面,计算了船首结构在砰击载荷作用下的结构响应。研究发现,在船体纵向方向,越靠近船首的位置,相对入水速度越大;在垂向方向,入水速度呈现先增大后减小的趋势。根据计算结果对船首局部结构进行了优化设计。     

三维实船首部结构入水砰击载荷预报

首先对三维回转体结构入水砰击问题进行仿真研究,并与文献中的试验结果进行对比,从而验证仿真方法计算三维结构入水砰击问题的可行性;其次研究三维实船首部入水砰击过程,分析实船首部结构砰击压力与入水速度、结构曲率的关系,并提出该首部结构的砰击压力预报公式。     

三维实船首部结构入水砰击载荷预报

首先对三维回转体结构入水砰击问题进行仿真研究,并与文献中的试验结果进行对比,从而验证仿真方法计算三维结构入水砰击问题的可行性;其次研究三维实船首部入水砰击过程,分析实船首部结构砰击压力与入水速度、结构曲率的关系,并提出该首部结构的砰击压力预报公式。     

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。