三体船三维时域波浪载荷计算方法研究及其应用

摘要

三体船因其优良的快速性、宽敞的甲板平台、较好的稳性和耐波性等诸多优点，近年来受到人们的关注，已逐渐成为当今国际造船业竞相开发的高性能船型。而三体船独特的船型特征在带来便利的同时，也提高了三体船设计开发的难度。由于三体船结构重量占整船重量的比例较大，其结构设计将直接影响到其船型优势的发挥。为了能够保障三体船良好的性能，在结构设计中往往需要借助设计载荷和结构强度直接计算等方法来辅助三体船的结构详细设计。而船体设计载荷和结构强度计算都是以波浪载荷预报为基础建立起来的。目前在工程上应用较为广泛的二维切片法和三维频域波浪载荷计算方法由于其高频低速假定，难以充分考虑航速效应对于三体船运动和波浪载荷的影响。而现有的三体船入级规范对于片体位于艉部的高速三体船的载荷设计和结构校核也具有一定的局限性。因此，急需一种针对于高速三体船的载荷预报方法和与之相配套的结构评估手段，来满足高速三体船载荷设计和结构优化的需要。以此为出发点，本文对三体船的波浪载荷预报开展了一系列的研究工作，并给出载荷预报方法在三体船设计载荷和结构强度评估方面的应用，建立了三体船载荷预报与结构强度评估体系，为后续我国三体船的结构设计和船型开发提供技术支撑。论文主要内容如下:
　　1)为了观察三体船运动和载荷特征并为后续的载荷预报提供有效性验证依据，设计并实施了三体船分段模型自航试验。通过规则波试验，分析了三体船运动、剖面载荷以及其高低频成分随波高、航速和波长等环境参数的变化规律。并在斜浪不规则波试验的基础上，进一步分析了浪向对于三体船运动和载荷的影响。在测量船体剖面载荷的同时，对于船体艏部和连接桥处的砰击压力也进行了同步测量，分析了船体艏部砰击和连接桥砰击的时域特点。通过统计各个砰击压力监测点的平均峰值，给出了砰击压力随船长和型深的变化规律。
　　2)基于时域Rankine源法，本文给出了三体船运动和载荷预报的方法。在求解三体船时域运动微分方程的过程中，根据三体船的结构特点加入了主体艏部、片体艏部和连接桥湿甲板等非线性瞬态砰击载荷，同时计及船体瞬时物面变化的影响，形成了三体船三维时域非线性运动和载荷预报方法。并在此基础上，进一步考虑了主片体干扰兴波对于砰击载荷的影响。为了能够更加真实地反映船体在实际海浪中的运动和载荷，本文开展了不规则波的数值模拟研究，建立了不规则波下三体船运动和载荷预报方法，并实现了船体剖面载荷的时域计算。同时，为了准确快速地获得载荷预报所需的水动力网格，本文结合B-spline曲面和无限插值算法，给出了三体船水动力网格自主划分的方法。最后，通过对比理论预报值和模型试验值，验证了时域Rankine源载荷预报方法的有效性。
　　3)结合Rankine源和时域自由面Green函数，建立了以时域匹配法为基础的三体船运动和载荷计算模型。通过将三体船周边流场分成内外域两部分，在内域采用Rankine源作为积分内核来求解速度势，在外部流体域应用时域Green函数求解边界积分方程，从而快速有效地模拟三体船在波浪中航行的运动和载荷状态。在三体船的运动方程求解中，同样考虑了三体船的瞬态砰击载荷和船体瞬时物面变化的影响，形成了基于时域匹配法的三体船非线性运动和载荷预报方法。同时，为了提高时域自由面Green函数计算的效率，本文结合精细时程积分算法和制表插值法，给出了时域格林函数波动项的快速求解算法。最后，通过将时域匹配法的预报值与模型试验值、频域Green函数理论预报值以及时域Rankine源法理论预报值相对比，验证了基于时域匹配法的三体船载荷预报方法的有效性，并分析了现有载荷预报方法各自的特点和适用范围。
　　4)本文给出了三体船时域载荷预报在三体船设计载荷和结构强度评估方面的相关应用。基于时域载荷预报建立了三体船设计载荷的计算方法，并与三体船规范获得的设计载荷相对比，说明了三体船设计载荷计算方法的特点和适用范围。同时，采用，设计波法实现了三体船结构强度的直接计算，给出了三体船总纵强度评估、屈服强度评估、屈曲强度评估以及疲劳强度评估的具体实施途径。通过与频域载荷预报方法的强度评估结果相对比，分析了不同载荷预报方法对于结构强度评估的影响。最后，将三体船时域载荷预报与结构强度评估方法相结合，形成了完整的三体船载荷预报与结构强度评估体系。

目录

声明

摘要

第1章绪论

1．1研究工作的目的与意义

1．2国内外研究现状

1．2．1三体船载荷计算的发展概况

1．2．2三体船模型试验的发展概况

1．2．3三体船波浪载荷计算与模型试验存在的不足

1．3本文的主要工作和创新点

第2章三体船载荷模型试验研究

2．1概述

2．2船体载荷试验技术的基本原理

2．2．1相似理论

2．2．2三体船模型设计

2．2．3载荷测量方法

2．3三体船模型载荷试验

2．4三体船试验数据分析

2．4．1规则波下三体船的运动与载荷

2．4．2不规则波下三体船的运动与载荷

2．4．3三体船的砰击压力分析

2．5本章小结

第3章基于时域Rankine源的三体船载荷计算方法研究

3．1概述

3．2流场描述和基本假设

3．3边界积分方程

3．3．1扰动速度势的定解条件

3．3．2扰动势满足的边界积分方程

3．3．3边界条件线性化处理

3．4自由面条件的求解

3．4．2阻尼层布置

3．4．3滤波处理

3．5三体船时域运动微分方程

3．6砰击力的求解

3．6．1动量砰击理论

3．6．2三体船砰击力

3．7不规则波的模拟

3．8船体剖面载荷计算

3．9三体船网格划分

3．9．1 B样条曲面的基本理论

3．9．2三体船湿表面网格划分

3．9．3三体船自由面网格划分

3．10数值计算分析

3．10．1平滑函数的设置及其影响分析

3．10．2砰击力的施加及其影响分析

3．10．3网格数量以及截面域的影响分析

3．10．4三体船运动与载荷预报分析

3．10．5理论预报和试验对比分析

3．11本章小结

第4章基于时域匹配法的三体船载荷计算方法研究

4．1概述

4．2时域匹配法的基本理论

4．2．1时域匹配流场的建立

4．2．2辐射问题的数值求解

4．2．3绕射问题数值求解

4．3三体船时域运动方程

4．4时域自由面Green函数的数值计算

4．5三体船控制面网格划分

4．6数值计算分析

4．6．1数值模拟的稳定性分析

4．6．2砰击力的施加及其影响分析

4．6．3网格数量以及截面域的影响分析

4．6．4三体船运动与载荷预报分析

4．6．5三体船载荷计算方法的综合分析

4．7本章小结

第5章三体船设计载荷计算与结构强度评估

5．1概述

5．2三体船设计载荷计算

5．2．1三体船规范设计载荷计算

5．2．2基于载荷预报的设计载荷计算

5．3基于设计波法的三体船结构强度直接计算

5．3．1三体船设计波方法

5．3．2三体船总纵强度评估

5．3．3三体船结构屈服强度评估

5．3．4三体船结构屈曲强度评估

5．4三体船结构疲劳强度评估

5．5算例分析

5．5．1三体船设计波工况的确立

5．5．2三体船结构强度评估

5．5．3载荷预报方法对于结构强度评估的影响

5．6三体船载荷预报与结构强度评估体系

5．7本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢

附录