Slamming load on a very large floating structure with shallow draft

The objective of this paper is to estimate the slamming load acting on a pontoon-type very large floating structure with a shallow draft. Experiments were carried out using elastic models with different rigidities in regular waves. The results revealed that the slamming load was strongly influenced by the rigidity of the model. The conditions under which slamming occurs depended on the extent of the bottom emergence and the velocity of the relative wave height at the bow of the model. These results were related to a simple procedure for estimating slamming load.     

Wave impact underneath horizontal decks

The problem of water impact on a fixed horizontal platform deck from regular incident waves was studied. Two-dimensional potential flow was assumed, and the resulting boundary-value problem was solved by three alternative numerical methods, a method based on a generalization of the impact theory by Wagner, and two different nonlinear boundary-element methods. The Wagner-based method used a von Karman approach during the water exit phase, i.e., when the wetted surface decreases. Experiments of the impact on an idealized platform deck have been performed to validate the theory. Comparisons show that the Wagner-based method yields good results for the water entry phase, when the wetted deck area increases, but poor results when the wetted area diminishes. The boundary-element methods compare well with experiments for the entire impact process. A Kutta condition is necessary at the aft body–free surface intersection during water exit and when the flow separates from the aft edge. Gravity effects matter for the water exit phase.     

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。     

基于谱分析法的船舶结构疲劳强度评估

  目的  常规疲劳损伤谱分析法只考虑了线性波浪载荷对疲劳寿命的影响,对于大外飘型船舶,如何考虑非线性砰击载荷的影响成为疲劳损伤计算的难点。  方法  首先,采用非线性时域方法计算船体总弯矩的时历分布;然后,结合雨流计数法,统计出船体节点在非线性砰击载荷下的疲劳应力范围分布,进而得到船体节点考虑非线性砰击载荷影响的疲劳损伤;最后,将其与线性波浪载荷产生的疲劳损伤予以对比,计算非线性砰击弯矩对某大外飘型船舶疲劳总损伤的放大系数。  结果  经计算,考虑砰击载荷后,疲劳损伤放大约40%。  结论  采用该计算方法对具有严重砰击载荷的船舶进行疲劳损伤计算具有实际参考意义。     

T型防波堤水平板波浪冲击压强试验研究

通过规则波与T型防波堤相互作用的试验研究,揭示了T型防波堤底部所受冲击压强产生的原因。分析波浪冲击压强历时曲线、相对板宽对冲击压强沿水平板底部分布的影响,得到T型防波堤水平板冲击压强的特性以及2大影响因素:相对超高和波陡。应用因次分析的方法,推导出T型防波堤底板最大相对冲击压强计算的经验公式。结果表明,该公式计算结果与试验值吻合较好,有一定的适用性。     

波纹夹芯杂交夹层板入水砰击动力响应特性研究

以波纹夹芯杂交夹层板(Hybrid Sandwich Plate with Corrugated-Cores,HSP)为研究对象,建立气-液-固三相数值模型,对结构在不同撞水速度下(1～10 m/s)动力响应特性进行数值计算分析.首先将其与相同质量的无填充轻质波纹夹芯夹层板(Light Weight Corrugated-Core Sandwich Plates,LWCCSP)在入水砰击下的非线性力学行为进行对比,分析探讨2种结构的能量吸收特点以及砰击压力和变形的分布规律,同时研究波纹夹芯杂交夹层板主要设计参数对其抗砰击性能的影响.分析结果表明,波纹夹芯杂交夹层板较同质量的无填充轻质波纹夹芯夹层板具有更好的抗砰击性能;在一定范围内,增加触水面板厚度及芯层厚度对提升波纹夹芯杂交夹层板的抗砰击性能有积极作用,且增加芯层厚度效果更为显著.     

On the dispersion relation of hydroelastic waves in a plate

This paper deals with the dispersion relation of hydroelastic waves in pontoon-type very large floating structures (VLFS) using a simple beam modeling, where the term hydroelastic waves means propagation of deflection vibrations in VLFS. The purpose of this paper is to show the properties of the hydroelastic waves. The dispersion relation of hydroelastic waves propagating in an infinite plate floating on the water is derived based on the linear water wave theory. The effects of the water depth and of the bending rigidity of the floating plate on the wavelength, phase velocity, and group velocity of the hydroelastic waves are shown theoretically or numerically. Then, the dispersion relation of hydroelastic waves in a finite plate floating on shallow water is investigated. It is shown that the wavelength or the phase velocity of the hydroelastic waves varies with the location in the plate. Received for publication on April 7, 1999; accepted on Aug. 20, 1999     

On the water impact and elastic response of a flat plate at small impact angles

It is well known that Wagner's theory for the impact between a flat body and a water surface cannot be applied to very small impact angles because of the effects of the trapped air. We focus our attention on the impact problem with a small impact angle, which has not been studied in detail owing to theoretical and experimental difficulties. In order to investigate the transitional impact behavior from a trapped-air impact to a Wagner-type impact, we carried out precise pressure and strain measurements by dropping a plate and increasing the impact angle, β, from 0° to 4° by increments of 0.5°. Based on the experimental results, the time histories of the measured pressures were identified as belonging to three patterns: the Wagner type, the trapped-air type, and the intermediate type. During the transitional impact process, the Wagner-type pattern was observed near the keel at the beginning of the impact, with the trapped-air pattern toward the edge of the plate. The Wagner-type pressure pattern dominated with increasing impact angle. Although high peak pressures appeared in the transitional impact process, the maximum strains measured in the plate were not so sensitive to the impact angle. It was found that the structural response can be estimated by using the average pressure at impact, which leads to a new design approach for small impact angles.     

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.     

小水线面双体船波浪载荷水弹性分析

三维水弹性力学将结构分析的有限元方法与围绕柔性体的势流理论结合起来,为在波浪中航行或驻立的复杂结构的运动和内力分析提供了一个流固耦合的统一分析方法,也为小水线面双体船的分析提供了有效的分析工具.文中将水弹性力学方法和谱分析方法相结合,对1 100吨SWATH船进行波浪载荷预报,并将计算结果与水池模型试验数据及国外相关资料进行了对比,说明了水弹性分析方法对于SWATH设计的合理性.     

不规则波对平板冲击作用数值模拟研究

文章采用数值模拟方法,建立了基于FLUENT软件的二维不规则波浪数值模型,探讨了波浪对水平板结构的作用机理.模型中采用RANS方程和标准k-ε方程,采用VOF方法重建自由液面.通过数值模拟复演了波浪冲击水平板结构的过程,将数值模拟结果与实验数据进行比较,验证了模型的可靠性.经过计算和分析,研究了波浪冲击平板过程中的冲击压力和流场特性,得到了冲击压力和流场的分布规律.分析了波陡,净空及板宽等参数对冲击压力和流场的影响.最后,给出了波浪冲击压力与相应水质点垂直速度间的统计关系,并对河海大学原有冲击压力的计算公式进行了改进,提出了新的冲击压力公式.研究结果表明:冲击压力峰值与相应的水质点垂直速度的平方成正比,修正后的冲击压力公式更为合理、可行.论文工作将对准确预测冲击载荷,掌握更多的冲击机理具有重要意义.     

深海平台砰击载荷的数值分析

文章以深海平台为例,研究在迎浪海况的作用下,波浪对平台的砰击效应.将平台简化为大尺度,深吃水,几何形状规则的刚体,采用计算流体力学中的有限体积方法,将计算区域划分为一系列不重复的控制体积,使每个网格节点周围有一个控制体积,求解离散方程,利用流体体积理论捕捉自由表面的波形.依据三阶斯托克斯波波浪理论,利用fluent软件建立相应的数值水槽,并进行造波及消波设置,得到稳定的波浪场.采用固定平台六自由度的方法,初步地对平台所受的波浪砰击载荷进行分析计算.     

宽幅平底船型砰击载荷研究

针对宽幅平底船型在风浪中航行,其船艏底部易遭受砰击从而引发船体高频振动的现象,对某型宽幅平底船型进行了研究.通过对目标船艇开展理论计算、船模试验、实船测量等多项工作.研究了非常规船型的砰击载荷.运用理论研究和试验相结合的方法,开展了复杂船型的砰击载荷研究,提出了理论预报的估算公式.通过大量计算和相关试验,得出了船型、航速和海况是影响宽幅平底船型砰击载荷的三大主要因素的结论.     

两种运动平台下晃荡冲击荷载的实验研究

由液体晃荡引起的冲击荷载主要与外部激励(激励频率和激励幅值)和装载率相关。大尺度物理模型实验通过运动平台在室内复现液舱的运动,进而实现在室内对储液舱内晃荡载荷的研究。因此,平台的运动能力、运动的精确性对液体冲击载荷的实验结果非常关键。为了研究不同类型运动平台的运动性能及其对储液舱内冲击载荷的影响,文中以大比尺二维矩形舱为模型,分别在单自由度运动平台和六自由度运动平台开展系统的液体晃荡冲击实验。实验结果表明:仅考虑水平运动,单自由度平台的精度要高于六自由度平台;在个别工况下,两个平台下冲击荷载时程和特征值的对比结果出现了一定差别,但是晃荡冲击荷载的整体趋势基本一致。通过评价单自由度和六自由度两种类型的运动平台在液体晃荡研究领域应用的适用性,为大尺度室内晃荡模型实验中运动平台的选择提供参考     

基于SPH方法的波浪对水平板冲击的数值模拟

A numerical model was established for simulating wave impact on a horizontal deck by an improved incompressible smoothed particle hydrodynamics (ISPH). As a grid-less particle method, the ISPH method has been widely used in the free-surface hydrodynamic flows with good accuracy. The improvement includes the employment of a corrective function for enhancement of angular momentum conservation in a particle-based calculation and a new estimation method to predict the pressure on the horizontal deck. The simulation results show a good agreement with the experiment. The present numerical model can be used to study wave impact load on the horizontal deck.     

船体尾压浪板砰击载荷分析

本文针对尾压浪板入水砰击压力开展研究,分别用Fluent和Dytran软件计算其入水砰击载荷。本文首先在不同的有限元模型中计算尾压浪板以10 m/s入水时的砰击压力,选择具有合理网格尺寸的有限元模型,进而避免了网格尺寸对计算结果的影响;接着分别计算了尾压浪板以不同速度入水时所受到的砰击压力,二者计算得到的砰击压力系数与我国规范给出的结果较为吻合,对于船舶尾压浪板砰击载荷的选取具有一定的参考意义。     

砰击载荷下轻质波纹夹芯夹层板动力响应特性分析

文章对轻质波纹夹芯夹层板(Light Weight Corrugated-Core Sandwich Plates,LWCCSP)在不同入水速度下(1-6 m/s)的流-固耦合非线性动力学行为进行了分析。建立了气—液—固三相数值模型,通过显式动力求解获得了轻质波纹夹芯夹层板砰击压力的分布特点及结构变形规律,并与同等质量的加筋板在流固砰击下的非线性力学行为进行了对比,并研究了轻质波纹夹芯夹层板主要设计参数对其砰击响应的影响。研究结果表明,轻质波纹夹芯夹层板较同等质量的加筋板表现出更好的抗砰击性能;下面板厚度、芯层厚度的增加在一定范围内可以有效提高轻质波纹夹芯夹层板的抗砰击性能。     

波浪对竖直板的水弹性冲击

基于线性水波理论,采用模态叠加法和有限差分法研究了受波浪冲击作用的竖直板的水弹性响应。流体假定为不可压缩、理想势流。首先基于模态叠加法给出了二维边界条件和四周简支板的运动响应的解析解,与有限差分法求解结果进行对比完全一致,然后运用有限差分法给出了四边固定弹性板运动响应的数值解,最后分析了厚度、波长对板振动、辐射波高的影响。研究发现在有边界约束条件下水弹性作用会加剧板的振动。     

水射流冲击作用下船体板架动响应分析

水射流冲击是一个极为复杂的流固耦合问题。目前大多数计算模型都是基于一定的假设,例如流体不可压缩,结构为刚性体等。本文基于三维波动方程,考虑流场可压缩性,计及水弹性的影响,采用双渐进法对流场进行求解,采用Abaqus软件模拟板架结构在水柱冲击下的动响应,实现了流体与板架结构的耦合求解,并分别分析了平板和加筋板在水柱冲击作用下的动响应。数值研究表明,冲击区域的中心处受到较大的瞬态冲击,冲击速度改变了射流冲击载荷的大小,使冲击响应随着冲击速度的增加而增大。而板厚的增加改变了板的刚度,对射流冲击具有良好的抵抗作用。     

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。