工作水深对浮式平台波浪砰击影响的敏感性分析

运用风洞和水池试验结果修正后的数值模型,同时考虑平台承受的风、浪、流环境载荷,及全尺度锚泊系统,以一典型半潜式平台为例,利用ANSYS-AQWA软件对半潜式平台波浪砰击次数和砰击载荷进行了非线性数值分析.在300、400和500m工作水深,45°、90°和180°3个载荷方向上建立9个工况,以及每个工况下的10个子工况,利用挪威船级社规范,研究了工作水深对平台的波浪砰击次数和砰击载荷影响的敏感性.针对各工况中的10个子工况结果,以90%的Gumble分布值作为最终的平台气隙的结果.通过数值模拟研究表明:相同的环境载荷、锚链类型和预紧力的情况下,平台的工作水深对平台气隙和波浪砰击的影响非常敏感.因此,在平台设计过程中应充分考虑工作水深对平台气隙和波浪砰击的影响.     

大尺度储舱液体晃荡砰击压力测量方法研究

超大型浮式液化天然气生产储卸装置(Floating Liquefied Natural Gas,FLNG)储舱中液体晃荡引起的砰击荷载会导致舱壁结构强度破坏.室内大尺度晃荡模型实验是最能真实反映砰击物理过程的研究方法.由于液体和气体均具有可压缩性,导致砰击压力瞬时增大,因此,实验研究中如何准确地测量砰击载荷是关键问题.为了研究测量砰击载荷的准确性、灵敏性和可靠性,采用了大吨位的六自由度运动平台与大尺度模型舱,分别采用薄膜型和针孔型压阻式传感器对储舱中液体晃荡引起的砰击载荷进行测量,并对砰击过程进行了实验观测.从时域角度提出了从砰击发生时间来分析流体砰击垂直舱壁的过程,并采用相关性方法分析测量区域内砰击载荷的空间相关性(垂直、水平).结果表明,针孔型压力传感器对气体衰减振荡的物理现象更敏感,而薄膜型压力传感器测量的均值效应较突出;冲击点位置下方的区域在水平和垂向上具有线性相关的特性,建议在冲击点附近采用阵列式压力传感器布局,可以更准确地捕捉冲击点的发生位置和载荷量级.     

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.     

集装箱船结构设计波浪载荷计算

考虑非线性波浪载荷,提出了集装箱船结构直接设计法中设计波浪载荷的确定思路和方法.按此思路编制了程序,并对一艘集装箱船作了相应计算,将弯矩传递函数计算结果与相应模型试验进行了比较,预报趋势和最值与模型试验结果都有较好的一致性.将非线性波浪弯矩计算结果与德国劳氏船级社(GL)规范公式结果及国际船级社协会(IACS)标准进行了比较,结果显示非线性中拱中垂波浪弯矩的比值处于GL和IACS之间,非线性中拱中垂合成弯矩较非线性波浪弯矩平均增加了20%到35%.发展了一种改进的非线性切片理论和方法,用于计算包括外飘砰击、底部砰击和甲板上浪引起的非线性波浪载荷,适合于确定非线性的设计波浪弯矩和合成弯矩.     

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。     

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.     

平底结构砰击作用下限制水域的流体动力特性

采用流体体积函数法VOF方法,考虑限制水域边界条件的约束因素,利用计算流体力学(CFD)商业软件Fluent求解脉冲砰击压力作用下具有自由表面限制水域的Navier-Stokes方程,以分析与观察大型平底结构从一定的高度自由落下砰击限制水域的水面所引起的三维流体动力现象.结果表明,采用文中所提出的数值方法可以对脉冲砰击压力作用于封闭或开放水域的水面所激发的水面波动和水下压力场变化进行有效的数值模拟.这一数值方法为工程上分析大型平底结构砰击限制水域水面所产生的水动力现象提供了一种实用的手段.     

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.     

利用并行算法分析平底结构砰击作用下具有自由表面水域的水动力特性

采用VOF和动网格方法、考虑限制水域边界条件的约束因素.利用CFD商业软件FLUENT通过求解脉冲砰击压力作用下具有自由表面限制水域上的Navier-Stokes方程来分析与观察平底结构从一定的高度以一定速度落下砰击限制水域的水面所引起的三维流体动力现象.数值模拟结果表明:采用所提出的数值方法可以对平底结构砰击压力作用于考虑自由表面效应的封闭或开放水域的水面所激发起的水面波动和水下压力场变化进行有效的数值模拟.所利用若干台多核微型计算机对平底结构撞击自由水面所引起的砰击问题进行的并行算法,为利用并行算法分析大型平底结构砰击限制水域水面所产生的水动力现象进行了有益的尝试.     

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.     

利用并行算法分析平底结构砰击作用下具有自由表面水域的水动力特性

本文采用VOF和动网格方法、考虑限制水域边界条件的约束因素，利用CFD商业软件FLUENT通过求解脉冲砰击压力作用下具有自由表面限制水域上的Navier-Stokes方程来分析与观察平底结构从一定的高度以一定速度落下砰击限制水域的水面所引起的三维流体动力现象。数值模拟结果表明：采用本文所提出的数值方法可以对平底结构砰击压力作用于考虑自由表面效应的封闭或开放水域的水面所激发起的水面波动和水下压力场变化进行有效的数值模拟。本文所采用的利用若干台多核微型计算机对平底结构撞击自由水面所引起的砰击问题进行的并行算法，为利用并行算法分析大型平底结构砰击限制水域水面所产生的水动力现象进行了有益的尝试。     

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.     

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．     

集装箱船非线性波浪载荷作用下的疲劳损伤分析

本论文针对集装箱船结构直接设计中所涉及的非线性波浪载荷疲劳损伤问题从理论方法、计算和应用等方面开展研究．采用谱分析方法，研究了非线性波浪弯矩及砰击弯矩对船体结构疲劳损伤的影响，并完成一个实例计算．     

基于波浪和砰击诱导应力幅值相关性的随机组合

通过对波浪与砰击导致的组合应力过程进行跨越率分析，并采用泊松假设确定组合极值，估计了波浪与砰击诱导应力大小的相关性对组合极值的影响．数值结果表明，波浪与砰击诱导应力大小的相关性对组合极值的影响取决于结构阻尼和砰击发生率．     

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.     

平底结构砰击作用下具有自由表面限制水域的流体动力特性

本文采用VOF方法、考虑限制水域边界条件的约束因素,利用CFD商业软件FLUENT通过求解脉冲砰击压力作用下具有自由表面限制水域上的Navier-Stokes方程来分析与观察大型平底结构从一定的高度自由落下砰击限制水域的水面所引起的三维流体动力现象。数值模拟结果表明采用本文所提出的数值方法可以对脉冲砰击压力作用于考虑自由表面效应的封闭或开放水域的水面所激发起的水面波动和水下压力场变化进行有效的数值模拟。这一数值方法为工程上分析大型平底结构砰击限制水域水面所产生的水动力现象提供了一种实用的手段。     

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,...     

基于2D+t势流方法的滑行艇静水姿态预报研究

为了预报滑行艇在静水中的运动姿态及垂向力分布情况,采用2D+t势流方法,将滑行艇直航问题转化为二维剖面入水砰击问题,建立滑行艇静水运动姿态的时域预报模型．对滑行艇剖面入水砰击载荷采用MLM(改进Logvinovich模型)砰击模型进行计算,并针对2D+t理论对滑行艇静压力及首尾部水动力三维效应预报的不足之处进行了改进．针对滑行艇约束模,改进2D+t方法得到的垂向力沿船长方向分布情况能够与三维黏流CFD(计算流体力学)结果符合较好;针对自由模,改进2D+t方法得到的运动姿态能够与模型试验结果符合较好,证明了改进2D+t方法对滑行艇在静水中的水动力问题具有较好的预报精度．     

动边界条件下平底结构砰击水面的水动力分析

采用VOF和动网格方法,考虑开放或限制水域边界条件的约束因素,利用计算流体动力学(CFD)方法研究平底结构砰击开放或限制水域的水面所引起的三维水动力现象,分析了由数值模拟得到的平底结构动边界条件下的多压力峰值现象及其产生机理.数值模拟与实验室模型试验结果的比较表明,采用所提出的数值方法可以得到符合实际的水动力分析结果,文中方法可有效模拟平底结构砰击压力作用于考虑自由表面效应的开放或限制水域时所激发的水面波动和水下压力场变化.