二维楔形体入水冲击问题的数值方法研究及应用

摘要

入水冲击问题是船舶与海洋工程领域一种典型的砰击问题。近年来，随着船舶动力的增大，航速的提高，使得船舶因砰击造成的结构破坏的事故也随着增加。因此，准确评估砰击力对于结构强度和性能都具有十分重要的意义。本文研究的重点为二维楔形体入水冲击问题的数值模拟方法，分别利用不同的方法来进行数值求解，并给出对比分析。
　　首先，本文描述了在船舶与海洋工程当中结构物所遭遇的砰击现象，并由此引出了砰击问题的一种具体的问题——入水冲击。根据不同的研究方法对之前学者所做的工作进行详尽地分类,同时简要分析了不同方法所求解问题的入手点和关键问题。
　　其次，一方面分讨论了基于势流理论的边界元求解方法和基于纳维-斯托克斯方程的SPH求解方法；另一方面则是主要阐述了冯卡门模型，瓦格纳模型和MLM模型的理论基础，对它们做了详尽的对比分析。
　　再次，根据势流理论对入水冲击问题建立数学模型，利用边界元法编写了数值模拟的程序，准确地计算了自由液面的形状，在射流问题上忽略了射流的影响，而且验证了这种处理方法在小底升角的情况下是能够准确计算压力分布的，同时提高了计算效率，避免了由射流所带来的数值上的困难。
　　然后，基于N-S方程利用SPH方法对楔形体的入水问题进行了数值模拟，并将计算的结果与边界元法的数值结果进行了比较。SPH方法在计算压力曲线时，准确性上不如边界元法，在这一方面还有待改进，但在数值计算的过程中可以看到 SPH方法的无网格特性使得对于自由液面问题得到了简化，能够很好的模拟射流部分。
　　最后，通过应用有限元软件ANSYS建立船艏的有限元模型来对船艏强度进行分析，将所得的载荷在ANSYS利用APDL语言编写载荷文件对结构施加载荷从而进行强度计算，由此可以给出船艏结构设计中的合理意见。
　　本文一方面验证了利用边界元法在小底升角的情况下忽略射流的影响，能准确计算结构所受砰击力；另一方面将边界元法与SPH法进行对比，分析各自优缺点，便于解决具体问题时数值方法的选择。同时以某散货船舱段为例将所得结论应用到实际工程中。

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第1章 绪论

1.1研究目的及意义

1.2 国内外研究现状

1.3主要研究内容

第2章 入水冲击问题的数值方法与理论模型

2.1 边界元法的基本理论

2.2 SPH的基本理论

2.3入水冲击的理论模型

2.4本章小结

第3章 二维楔形体入水冲击的边界元法数值模拟

3.1 入水模型的建立

3.2 数值模拟过程

3.3 计算结果对比分析

3.4 本章小结

第4章 二维楔形体入水冲击的SPH法数值模拟

4.1SPH模型的控制方程

4.2边界条件

4.3物面上压力值的计算

4.4楔形体入水的数值模型

4.5数值结果的对比分析

4.6本章小结

第5章 船艏入水的强度分析

5.1船体说明

5.2有限元模型

5.3船艏有限元分析计算结果

5.4 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢