基于FEM/SPH耦合方法的极地运输船舶冰阻力预报研究

冰阻力是极地运输船舶动力需求分析和船型优化设计阶段的重要参考指标.本文基于有限元理论,采用粘聚单元法构建海冰数值模型,开展冰样单轴压缩和三点弯曲试验过程模拟,验证了该模型满足海冰数值计算的要求.在此基础上,以某极地运输船舶为研究对象,采用有限元/光滑粒子流体动力学耦合算法,通过罚函数接触算法传递有限元网格与水粒子之间接触状态和作用力,考虑船舶破冰过程中船/冰/水耦合作用,模拟破冰过程裂纹产生和扩展、冰块翻转与滑移等现象,并进行了冰阻力预报.     

冰区加强型散货船碎冰航道航行阻力数值计算研究

应用CFD-DEM方法对某型冰区加强型巴拿马散货船在碎冰航道航行的船舶阻力进行了计算研究。船-水相互作用建立在欧拉框架下,船-冰相互作用应用拉格朗日框架下的DEM方法实现。参照汉堡水池试验影像和试验参数建立DEM冰粒子和碎冰航道的计算模型。结果表明,CFD-DEM耦合计算方法充分考虑了船-水相互作用和流体与粒子间的相互影响,能较好地模拟了船-冰相互作用和发生的现象。船-冰接触力和总阻力随着船舶进入碎冰航道呈现逐渐增大,然后逐渐趋于平稳。数值计算的船舶总阻力值与试验结果对比,平均误差为5.03%,这项研究可为船舶在碎冰航道航行的数值预报提供参考。     

波浪中远洋船舶耦合运动的数值模拟

利用基于FLAC3D和基于UDEC的2种传统方法对船舶耦合运动进行数值模拟,结果准确性较低。针对上述问题,提出一种新的基于CFD的远洋船舶耦合运动数值模拟研究方法。首先给出船舶耦合运动的假定条件,然后建立反映问题本质的数学模型,接着利用有限体积法对该方程进行离散,最后利用有限差分法对离散后的方程进行求解,完成船舶耦合运动数值模拟。结果表明:与基于FLAC3D和基于UDEC的2种传统方法相比,利用本研究方法对船舶耦合运动进行数值模拟,模拟结果准确性提高6.3%和14.5%,达到了研究目的。     

船舶撞击下的车—桥耦合系统动态响应分析

文章将"船桥碰撞"与"车桥耦合"联系在一起进行研究,建立了斜拉桥、轻轨和船舶的三维非线性精细有限元模型,研究了轻轨列车-斜拉桥动态耦合系统在船舶碰撞下的动态响应。数值模拟过程分以下四步:桥梁初始成桥状态模拟,轻轨列车—斜拉桥动态耦合模拟,船舶与桥梁的碰撞模拟和桥梁—火车—船舶相互作用模拟。桥梁初始状态及大变形通过更新拉格朗日法和共旋转推导法来实现。通过与平面杆系有限元模型的计算结果进行比较,证实了全三维有限元建模方法在车—桥动态耦合响应分析中应用的准确性。研究通过基于罚函数的动态接触方法来实现车—桥耦合和船舶的碰撞过程,采用递归谱二分法的并行计算技术来缩短计算时间,基于显式中心差分插值法来进行数值求解,该方法证明在分析车—桥—船之间的耦合动态响应是一种有效的技术,为设计阶段模拟桥梁的动态特性提供了有效手段。结果表明,当发生船—桥碰撞时,轻轨列车运行到主桥塔附近行车安全的影响最大。     

基于重叠网格方法的楔形体入水抨击数值模拟

流体和浮体相互作用是海岸及海洋工程急需研究的热点问题之一。文章基于OpenFOAM建立二维数值水槽,利用VOF(Volume of Fluid)方法来捕捉自由表面,通过使用重叠网格方法来描述流固耦合作用。利用建立的数值模型模拟了楔形物块的垂向和斜向入水抨击过程,对比了不同状况下的抨击压强分布,分析了水平速度对抨击压强分布的影响。模拟结果与理论解吻合较好,表明了该模型能够合理地模拟物块与水的相互作用问题。     

SPAR平台在波浪中运动的时域预报方法

在船舶与波浪相互作用时的三维预报方法的基础上,发展了SPAR平台与规则波相互作用的时域数值预报方法,该方法计入了SPAR平台垂荡和纵摇阻尼效应。使用该方法对一经典SPAR平台进行了规则波中的时域数值模拟。通过计算分析可以看出,该方法能捕捉SPAR平台在临界波浪周期下的耦合运动,验证了该方法的可靠性。     

基于RANSE的螺旋桨模型敞水数值模拟方法研究

本文采用基于RANSE的船舶水动力学CFD求解器,开展螺旋桨模型敞水数值模拟研究,求解器采用基于Laplace权函数插值计算的交界面方法,实现不同计算域之间的耦合计算。以典型螺旋桨模型为对象,研究不同计算方法、网格形式,以及交界面位置对计算结果的影响,通过多方案的对比计算与分析,验证了Laplace权函数插值方法能够提高螺旋桨敞水计算稳定性,保证计算精度。同时给出了螺旋桨敞水性能数值计算的推荐方案,并采用推荐计算方案开展了螺旋桨模型敞水性能计算应用测试,结果与试验数据符合良好,初步建立了基于该水动力学CFD求解器的螺旋桨模型敞水数值模拟方法。     

水动力对海冰-结构物相互作用影响的研究

海冰与极地船舶碰撞是影响船舶航行和作业安全的重要因素。由于碰撞发生在水面附近,水动力作用不可忽视,需考虑结构物-冰-水的耦合作用。论文进行了海冰与固定圆柱体之间水动力相互作用的试验,并改变海冰的速度、尺寸和形状这3个参数用CFD-FEM方法进行数值模拟,分析冰所受水动力与碰撞力峰值的差以及碰撞过程中冰附加质量的变化。研究结果表明：数值计算结果与试验数据吻合较好;在海冰-结构物碰撞过程中,水动力对冲击力辐值的影响随海冰速度的增大而增大,随海冰尺寸和截面多边形边数的增加而减小;在冲击力峰值附近区域,海冰附加质量呈先增大后减小的态势。     

基于CFD-DEM耦合的螺旋桨-碎冰-水相互作用的数值模拟

为了研究螺旋桨在碎冰环境下的性能变化,采用CFD-DEM耦合分析方法开展了螺旋桨-碎冰-水混合环境下的数值模拟。分析了单项耦合设置和双向耦合设置时碎冰内不同DEM粒子数量对螺旋桨水动力性能、桨叶接触力、桨叶接触碎冰数量以及求解器CPU时间的影响。在获得最优碎冰内DEM粒子数量的基础上分析了单项耦合设置和双向耦合设置之间的差异。计算结果表明:在CFD-DEM耦合运算中,合理地设置碎冰内DEM粒子数量对降低数值模拟的计算成本至关重要;单向耦合设置可作为碎冰内DEM粒子数量选择的方法之一;双向耦合设置能够很好地模拟碎冰在螺旋桨抽吸作用下的运动,在数值模拟过程中应采用双相耦合设置;CFD-DEM耦合分析方法可以为进一步研究螺旋桨-冰相互作用过程中结构强度问题以及水动力特性提供非常有效的研究手段。     

基于OpenFOAM的船舶与液舱流体晃荡在波浪中时域耦合运动的数值模拟

波浪中载液船舶运动激励舱内液体的晃荡,舱内液体晃荡产生的冲击力同时作用在舱壁上,进而影响船舶的运动姿态。波浪中船体水动力和时延函数是在势流理论范畴下采用切片法和脉冲响应函数方法计算获得的,液舱内液体非线性晃荡是基于粘性流理论实时计算模拟,两者耦合建立了波浪中载液船舶与液舱流体晃荡耦合的运动方程。论文基于开源CFD开发平台OpenFOAM,自主开发实现了船体运动与液舱晃荡的耦合计算程序,并进行了相应的数值模拟计算和验证工作。该方法完整地考虑了波浪、船体和液舱晃荡之间的耦合作用,并结合船体内外流场特点分别采用了势流和粘性流理论,具有较高的计算效率。通过数值模拟计算和模型实验研究表明,数值模拟计算能够清晰显现出液舱晃荡对船体全局运动影响,船体运动计算结果与模型实验结果吻合良好。     

冰区航行船舶冰阻力数值研究进展

冰阻力是影响船舶在冰区航行性能的关键因素。当前主要的冰阻力研究方法有经验公式法、模型/实船试验法和数值模拟方法。数值模拟方式能够对船舶破冰的全过程进行快速模拟,且模拟成本低,参数易于控制 、结果较为准确,是一种比较适宜的冰阻力预报方法。随着计算技术的进步,各种数值模拟方法层出不穷,其中包括基于网格单元的有限元模型,基于无网格方法的离散元模型、SPH法、近场动力学模型等;近年来,网格模型与无网格模型的耦合方法也逐渐发展起来。文章简要梳理了冰区航行船舶冰阻力数值研究的进展,并基于研究现状提出尚需进一步解决的问题,意在为进一步提高冰阻力数值模拟精度提供参考。     

基于SPH-FEM算法的浮冰-水-船耦合作用数值模拟方法

针对计算机模拟极地船舶在冰区航行过程中同时受浮冰与海水影响的非线性与随机性等特点,本文将光滑粒子流体动力学与有限单元法耦合算法应用于某LNG船在冰水池试验航行时与浮冰碰撞的动态过程仿真中。阐述其耦合算法的基本理论与实现方法,模拟船舶航行过程中遇到不同密集度的浮冰工况,分别监测船体所受冰阻力的数值,观察浮冰运动情况,分析LNG舶与各密集度浮冰碰撞时阻力随时间变化规律,与经验公式比较。结果表明,该耦合算法模拟的LNG船航行于各浮冰工况符合真实情况,结果具有较高精度,为后续极地船舶的冰载荷研究提供了有力依据。     

基于BEM与VOF耦合模型的潜堤附近波浪变形研究*

BEM和VOF方法是目前模拟近岸波浪变形的2种有效方法。以这2种模型为基础构建了一个前域应用BEM、后域应用VOF方法的波浪数值计算耦合模型（BEM+VOF模型）,并应用该模型对波浪越过水下潜堤的波面变形过程进行研究。结果表明,计算值与实验值吻合良好,说明本文建立的波浪耦合模型可以很好地模拟波浪和结构物的相互作用。     

基于完全耦合算法的绕水翼流固耦合特性研究

基于完全耦合算法对绕二维NACA0009水翼流固耦合特性进行了数值模拟研究。采用Theodorsen模型和Munch模型对刚性和弹性水翼的水弹性响应进行了数值计算,分析了流体与结构的相互作用关系,研究了影响结构水弹性响应和流固耦合特性的因素。研究结果表明:考虑了流体黏性的Munch模型与基于势流理论的Theodorsen模型对气动弹性响应的数值计算结果基本一致,而Theodorsen模型由于没有考虑流体黏性在一定程度上低估了结构的水弹性响应。结构的惯性、阻尼和刚度力矩与流体的相应附加载荷均处于同一数量级,故流体与结构的相互作用不可忽略,尤其对于弹性水翼,流体的惯性、附加阻尼作用增大,流固耦合算法的数值稳定性对流固耦合特性的计算结果影响将更大。外部激励频率为非共振频率时,结构的刚度作用是影响水弹性响应的主要因素,外部激励频率为共振频率时,流体的附加阻尼和附加刚度作用减弱,除结构的刚度作用外,流体与结构的惯性作用对水弹性响应和流固耦合特性的影响也较大。     

基于SPH-FEM方法的舷侧与冰山碰撞结构响应

传统的有限元数值仿真对于研究高速碰撞大变形等问题具有一定的局限性，建立一套基于光滑粒子流体动力学（SPH）的水介质中小型冰山与船舶舷侧碰撞数值模拟方法，验证SPH模拟冰材料与船-水-冰耦合的合理性，对不同舷侧部位与不同冰山碰撞工况进行数值模拟，分析碰撞形状、面积和速度等对舷侧结构的应力、应变、结构损伤等的影响规律。研究表明，提出的冰山与舷侧碰撞数值模拟方法具有较高的计算精度，对冰山-船舶碰撞的研究具有重要的参考价值。     

不同碰撞角度下水-船-墩流固耦合数值模拟研究

为研究不同碰撞角度下流体对船桥碰撞过程的影响，本文建立了水-船-墩精细化流固耦合模型，流体域采用ALE描述，船-桥结构采用Lagrange描述，通过罚函数算法实现结构-流体间的耦合。通过数值造波结果与解析解对比，验证了数值水池和耦合接触算法的可靠性。随后在0°～45°范围内开展了碰撞数值模拟，并与附加质量模型在能量转化、碰撞力、桥墩内力及位移、船舶损伤及航迹方面进行了对比。结果表明：流体对碰撞力影响较小；附加质量模型会略微夸大桥墩位移，但差别较小；两种模型的船舶撞损差别较大，不考虑流体时将夸大船舶撞损程度，最高可达21%；流体对船舶航迹与姿态会产生显著影响，流固耦合模型中船舶会明显滞后于附加质量模型。     

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。     

流场数值模拟技术在船舶安全靠离泊中的应用

为了保障船舶靠离泊作业的安全,针对现今国内船舶操纵模拟中实验流场数据观测局限性和难度高的现状,采用流场数值模拟技术和MIKE水动力模型对复杂流向、流速水域进行准确计算,并将模拟得出的数值应用于船舶模拟器中,反映研究水域实态流场情况。最后,以宁波港某码头作为研究水域进行验证,结果表明,基于流场数值模拟技术获取的流场数据精度较高,能够较好地反映出该水域船舶操纵难易程度。     

船舶碎冰区横荡运动的水动力导数研究

目前敞水水动力导数的研究较为成熟,针对冰水耦合后的船舶水动力导数研究尚处于起步阶段。本文使用STAR-CCM+软件中DEM颗粒模拟碎冰粒子,求解碎冰区冰水混合介质中船舶横荡运动水动力导数。通过开启DEM模块下双向耦合模式,进行动量、能量交换达到冰块与水耦合作用。选取低频频率f分别为0.06 Hz、0.08 Hz、0.1 Hz、0.12 Hz、0.14 Hz进行横荡运动数值模拟,忽略自由液面的影响,分别计算敞水工况以及碎冰工况下船舶各运动频率下所受的侧向力以及转艏力矩,并通过对各频率下无因次后的力以及力矩拟合来解出部分水动力导数。通过计算得知,敞水工况下船舶各部分水动力导数值与统计公式计算值相差不大,冰水耦合后大部分水动力导数在低频率下明显大于敞水工况下的水动力导数,而水动力导数Yv’值比敞水工况值小。     

斜浪中参强激励横摇运动的数值模拟与解析分析

船舶在斜浪中航行时,参数激励与强迫激励将共同作用于横摇运动,可能引发大幅横摇,甚至船舶倾覆。考虑船舶瞬时湿表面的影响,以及垂荡、横摇和纵摇之间的相互耦合,提出了3自由度耦合运动数值模拟方法和1.5自由度横摇运动数值模拟方法。以C11船为例,采用该方法进行斜浪中参强激励横摇运动的数值模拟,并与试验结果进行对比,验证了数值方法的正确性。在数值模拟的基础上,使用多尺度法求出解析解,并求出了平凡解和周期解的稳定域。