船艏外飘砰击三维仿真研究

砰击是运动着的船体与波浪相互作用而产生的高度非线性现象。一般包括底部砰击、外飘砰击和上浪砰击三种类型。本文利用Ls-dyna软件研究了江海直达船船艏外飘砰击压力,建立了包含空气、水和三维船艏的流固耦合模型。提取有限元模型中的外飘砰击压力,探讨在不同速度以及不同入水角度下,外飘砰击压力与速度的关系,以及外飘砰击压力沿船长和沿高度方向的分布规律。     

江海联运船舶艏部砰击性能研究

考虑江海联运船舶大外飘、小型深的结构特征,研究了江海联运船舶艏部结构在砰击载荷作用下的力学性能。阐述了船舶砰击理论,将船舶艏部结构遭遇的砰击载荷分解成入水冲击压力、撞击冲击压力以及甲板上浪载荷。针对江海联运的45 000 DWT散货船进行砰击的数值模拟,计算载荷包括不同航速下的舷外静水压力、艏外飘砰击压力以及甲板上浪。结果显示应力和变形受砰击载荷影响很大,很有必要对艏外飘结构进行相应的结构加强以及疲劳强度评估。     

40m游艇艇艏砰击压力有限元分析

为了研究艇艏横倾时的砰击状况,采用数值模拟的方法对一艘长40 m钢制游艇的艇艏砰击性能进行了分析.在验证有限元方法模拟船舶入水砰击的基础上,利用ANSYS/LS-DYNA软件建立船艏二维有限元模型,分析了游艇不同入水速度和横倾角对艇艏砰击压力的影响规律,数值模拟结果为预报艇艏的砰击压力状况提供依据,为游艇的结构设计提供参考价值.     

基于VOF的非对称剖面自由入水数值模拟

基于纳维-斯托克斯(N-S)方程建立了入水冲击的两相流模型,应用流体体积(VOF)法对同时考虑横倾角和横向速度两种非对称性的外飘剖面自由入水问题进行了数值模拟.讨论了剖面以不同横倾角和水平速度入水时物体速度的变化,并对入水过程中的流体形式和砰击压力特性进行了分析.结果表明:随着横倾角的增加,水平速度变大而垂向速度减小.随着速度比的增加,水平速度下降而垂向速度几乎不变;过大的水平速度和横倾角会出现流动分离、气穴等物理现象,进而影响了砰击压力的分布.     

船舶外飘砰击有效砰击角概率分布

基于海浪波面斜率的随机性,研究了船舶外飘砰击有效砰击角的概率分布问题.将垂直法平面内船体表面斜升角在初始纵剖线角处泰勒展开,根据船舶运动的随机特性推导了船体表面斜升角的概率密度函数;在随机海浪波面斜率、波面倾角的统计规律和波浪破碎判据条件的基础上,推导了有效砰击角随机变量的概率密度函数,为进一步研究船舶外飘砰击载荷的概率预报方法奠定了基础.     

大型桥梁结构入水砰击中兴波及压力特性研究

通过物理模型试验的方法研究了广东九江大桥被撞坍塌处某段桥梁结构由一定高度坠落砰击入水的整个过程,着重分析了砰击引起的兴波特性及砰击压力特性.试验结果表明,结构砰击入水整个过程中产生了两次兴波,后续兴波要比初始兴波大;由于桥梁结构具有特殊的砰击面,入水砰击引起的砰击压力特性与其他结构(如平底结构)是有所不同的,特别是砰击压力峰值的分布规律.     

基于船模试验大外飘船型入水问题的分析

在拖曳水池对四条艏部线型不同的姊妹船进行了分段模型砰击试验,通过对模型砰击压力及运动的测量,提出针对外张砰击的压力持续时间和砰击系数的计算公式,提出的砰击时间计算公式更能够反映出不同位置处和不同海况下的差异,而基于砰击系数计算公式预报的压力峰值与试验结果也比较一致.引入外张度这一概念来衡量艏部线型变化对砰击压力的影响,结果表明:在低海况下,四条船测得的结果很接近,这说明此时线型的变化对砰击带来的影响不大,但随着海况越大,线型的变化对砰击带来的影响也越大.     

VLCC船首外飘结构冲击及砰击强度

现有CSR规范仅考虑了冲击压力对VLCC船首外飘结构的影响而忽略了砰击压力的影响,使得具有较大船首外飘结构的VLCC常由于遭遇较大波浪载荷而受损.本文借鉴CSR规范载荷体系提出两种冲击压力的假设,并结合实船案例数据,采用有限元法对受损结构进行逆向工程计算,采用最小二乘法分析实验数据以寻求最优解.最后,根据最佳方案对损坏结构提出修改方案并验证.本文的研究结果可为超大型油船的结构设计提供思路.     

穿浪双体船艏部分段模型入水砰击的数值仿真

基于商用CFD软件,结合重叠网格技术,模拟了某穿浪双体船艏部三维模型入水砰击,将模拟结果与试验数值结果和试验过程图像进行对比,以验证方法的准确性和有效性.进一步研究了双体船湿甲板砰击机理及发展过程,结果表明砰击的发展与分段模型下方残留气体溢出有关,且砰击的发展时间与连接桥下方气体的溢出时间接近,随着跌落高度的增加,气体压缩、液体飞溅等非线性因素产生的作用力与阻碍物体运动所需的砰击压力比例逐渐趋于稳定;而随着分段模型质量的增加,入水后的加速度峰值明显降低,当分段模型质量达到一定值时,加速度峰值和砰击压力峰值不受分段模型质量影响,逐渐趋于稳定值.     

二维楔形体入水砰击仿真研究

基于数值仿真的方法对二维刚性楔形体的入水砰击问题进行了研究.建立了包含气水流场的二维有限元模型,考虑空气、重力等因素在砰击过程中的影响,研究了流场的自由液面、压力和速度等物理量的变化情况.对不同入水角的楔形体入水的砰击压力峰值系数进行了计算,分析压力峰值的变化规律.结果表明,楔形体入水砰击压力峰值系数不仅与入水角度有关,而且与入水速度也有很大的关系.     

空气垫在平底结构入水砰击中作用的仿真分析

用仿真方法对平底结构的入水砰击问题进行了研究,建立了二维气水流场的有限元模型．考虑空气、重力等因素在砰击过程中的影响,描述了空气层与水面的混合情况以及平底结构入水瞬间空气层内各物理参数(密度、内能、压力等)的变化情况．讨论了自由液面的变化和飞溅效应对砰击压力的影响,并对砰击压力峰值产生的机理进行了探讨．     

波浪载荷与砰击载荷联合作用下SWATH船结构动态响应

针对SWATH船特点,基于平板砰击理论,考虑砰击载荷的时变特性和空间分布不均匀性,提出了随时间和空间变化的砰击载荷公式;采用实时直接加载技术模拟波浪载荷与砰击载荷的联合作用,对某SWATH船在波浪载荷与砰击载荷联合作用下振动响应特性进行了整船数值仿真研究,讨论了砰击对结构总强度的影响. 研究发现：对于SWATH船,波浪载荷与砰击载荷联合作用有其特殊的结构响应模式. 联合作用的整体效应并不是单体船那种沿纵向的两节点弯曲振动,而是连接桥结构的横向弯曲振动;联合载荷作用对湿甲板边缘和支柱外板与横框架连接处的强度威胁较大;砰击对船体振动响应影响重大,从而影响结构总强度和总变形.     

平底结构砰击压力峰值分析

利用MSC.Dytran仿真软件研究了平底结构的入水问题,建立了二维有限元模型,对不同质量的平底结构分别以等速、初速度入水的情况进行了计算.结果发现,存在于结构与水之间的空气层充当了缓冲垫,大大减小了砰击压力;结构的质量对于砰击压力大小也有很大影响.研究表明,计算机仿真技术可以有效地用于结构入水问题,并能获得试验和理论研究难以发现的现象.     

空气垫与来风对结构物坠落砰击影响的仿真

针对空气垫及来风对海洋结构物空中坠落入水过程产生重要影响的问题,在对结构物坠落机理进行分析的基础上,充分考虑结构物在空中坠落过程中所受到的空气阻尼及六自由度运动特点,结合流体三维瞬态N-S方程、湍流动力方程、能量方程和刚体6自由度运动方程,建立了三维复杂结构物空中坠落砰击入水的气-固耦合过程数学模型.对结构物坠落砰击入水的数值模拟结果与物模试验结果的比较表明,该数学模型能有效模拟空气中的坠落砰击过程.对不同高度以及来风时的坠落砰击过程的数值模拟表明:空气垫改变结构物砰击速度、压力分布;砰击会使空气垫温度上升;来风改变了结构物坠落姿态,使结构物在空中呈"之"字形摆动坠落并砰击水面.     

结构物砰击入水问题研究进展

结构物砰击入水问题是一类复杂的流固耦合问题,具有广泛的工程应用前景。结构物从一定高度落下以一定速度砰击水面,早期主要针对砰击入水过程的结构响应开展研究,而对入水后水下压力场突变和兴波等却研究较少,而随着大型桥梁和海洋工程日渐增多,在这些工程的施工和使用过程中也出现了大型结构物砰击入水的现象,如广东九江大桥被撞垮塌后大面积桥面落入水面等,这种砰击入水后水下压力场突变和兴波等会对周围结构物产生一定影响,评价这种影响对施工和设计具有现实的工程意义。文中综述了过去七十多年里人们在结构物砰击入水问题研究中取得的成果,分别从理论分析、试验和数值方法三个方面介绍了结构物砰击入水的研究进程,比较了各种研究方法的优缺点,再以九江大桥桥面垮塌为例,提出采用结构物砰击入水理论来评价此类大型结构物砰击入水后水下压力场突变和兴波效应等对周围结构物如桥梁桥墩结构的影响,最后展望了结构物砰击发展方向以及将其应用在桥梁建设过程中的可行性。     

楔形体入水的时间解析-粒子图像测速测试及数值研究

为了研究楔形体入水问题以及基于粒子图像测速(PIV)进行砰击压力间接评估的可行性,应用时间解析PIV(TR-PIV)技术对不同底升角楔形体入水过程中的流场进行测试.开展相应的数值模拟,依据PIV结果进行瞬时砰击压力重构.详细分析了入水过程中的运动响应与流场结构,探讨了基于TR-PIV压力重构方案的准确性和适用性.结果表明:楔形体入水流场的TR-PIV测试结果与数值结果吻合良好.对于不同网格间距和时间步长,压力重构方案均具有良好的精确性.基于TR-PIV重构不同底升角楔形体的砰击压力场结果与数值结果吻合良好,砰击载荷的评估结果同样吻合良好.     

基于TR-PIV的刚性楔形体入水砰击载荷研究

针对物体入水问题,提出了一种基于时间解析粒子图像测速(TR-PIV)技术的刚性楔形体入水砰击载荷评估方法.通过高频率的TR-PIV测试系统得到砰击瞬时流场的流动信息,以此为基础采用分块多路径积分方案求解不可压缩纳维-斯托克斯方程重构砰击载荷.试验研究了刚性楔形体以垂直速度入水时的砰击载荷分布,并将试验结果与基于势流理论的二维楔形体入水问题解析解进行对比,验证了楔形体入水过程中基于TR-PIV技术进行砰击压力重构的准确性.结果表明:流场速度峰值主要分布在堆积区域,在砰击初期,该区域内流速迅速增加,约在10ms后流速逐渐降低并趋于平稳;压力场重构结果显示压力峰值同样始终分布在堆积区域,并沿着楔形体壁面向下迅速下降.     

外张砰击压力时间分布的模型试验

在拖曳水池对某集装箱船进行了砰击模型试验.在船底砰击的脉冲三角函数形式的基础上结合试验数据重新确认外张砰击持续时间,建立了一种外张砰击压力时间分布的模型.并且基于瓦格纳型冲击理论对该船的外张砰击压力时历进行预报.预报和试验结果的比较表明,两者吻合较好,该方法能适当反映外张砰击的时历特性.     

应用改进流体体积法的楔形体斜向入水研究

为了精确追踪入水冲击中含有气体的自由面,在现有流体体积(VOF)法中引入连续表面张力(CSF)模型对气-液界面处压力进行连续化处理,添加对流项以减少体积分数的数值耗散,并耦合水平集函数保证自由表面的尖锐性.应用改进的VOF法对多个倾斜角下楔形体的入水过程进行数值模拟,并分析了砰击压力和自由面特性.研究表明:在保证相同自由面分辨率的情况下,改进的VOF法能减少1/3的网格数量;数值结果较好地反映了斜向入水过程中出现的空气流通现象,砰击压力峰值与实验值吻合良好;当底升角小于10°时出现明显气穴效应,数值结果与实验值相差10%,而解析解的误差达到40%,说明气穴对砰击压力具有重要影响,改进的VOF法对解决这类入水问题具有精度高的优势.     

失事航天器高速入水砰击数值模拟研究

针对失事航天器入水砰击过程中水动力系数求解精度较低的问题,基于流体体积(VOF)多相流模型和自然空化条件建立了复杂结构物高速入水砰击数值模型,模拟圆柱体入水砰击过程,对砰击荷载、阻力系数、速度和加速度变化规律进行预报,并将数值模拟结果与试验结果进行了精度对比,验证了本研究方法的精确性.在此基础上以典型航天器为研究对象,分析砰击速度和航天器密度对其砰击荷载和水动力系数的影响.研究结果表明:航天器残骸的砰击速度和密度对其阻力系数影响较小,阻力系数稳定值约为0.35;航天器残骸的砰击荷载峰值随砰击速度的增加而增加.