船舶封闭式复合材料桅杆风载特性规律研究

摘要

鉴于舰船桅杆隐身性的需要，综合集成桅杆一般采用透波性较好的复合材料制造，复合材料具有特殊力学特性，如果在结构设计中仍采用军规中关于筒型钢质桅杆的计算载荷，则可能导致桅杆的局部过载，引起桅杆结构破坏，因此本文对复合材料综合集成桅杆开展风载特性研究。
　　 论文首先以八边形桅杆为基础进行桅杆刚性体数值计算可行性研究，通过适当定义计算流域尺寸，网格类型及数目，湍流模型，得出数值计算可在误差允许范围内准确模拟桅杆的风载特性。
　　 复合材料特殊力学特性使桅杆具有“柔”性，如果桅杆变形幅值过大将会影响到流体域的求解，继而影响到桅杆表面的风压分布，因此论文展开了集成桅杆的耦合分析，将流固耦合数值计算结果与模型实验结果及桅杆刚性体数值计算结果进行对比，分析三者之间的差异。
　　 论文在对八变形桅杆简化载荷进行有效性验证中发现，国军标载荷对应的位移最大值小于实际载荷对应的位移最大值，如果复合材料桅杆的结构设计采用国军标所规定的载荷施加方式，复合材料桅杆则可能因局部过载导致变形过大而破坏。论文提出的风载简化载荷考虑了复合材料的局部效应，可对复合材料桅杆的结构设计提供参考。
　　 随后论文对四、六、八边形综合集成桅杆展开不同雷诺数，不同风向角下的风载特性研究，通过对大量工况进行计算，获得桅杆风载随雷诺数及风向角的变化规律，通过研究发现论文计算中所采用工况的雷诺数均已超过临界雷诺数，平均压力系数，脉动压力系数随雷诺数的变化趋于稳定。八边形、四边形及六边形桅杆平均压力系数及脉动压力系数沿桅杆高度方向呈均匀分布，不随桅杆高度的变化而变化。桅杆平均压力系数在桅杆周向上的分布不随雷诺数改变，论文对其进行简化，以期方便应用于工程结构设计。

目录

文摘

英文文摘

第1章 绪论

1.1 课题研究的目的及意义

1.2 舰船隐身桅杆特点及应用现状

1.3 流体载荷特性的研究方法

1.4 隐形桅杆风载衡准

1.5 论文研究内容

第2章 八面体桅杆风载数值计算

2.1 桅杆数值计算湍流模型选取

2.1.1 流动的数值计算方法

2.1.2 RNG k-ε模型

2.2 桅杆风载数值实验

2.2.1 数值模型的建立

2.2.2 计算工况设置

2.3 数值计算结果及有效性验证

2.3.1 八边形桅杆平均压力系数有效性验证

2.3.2 八边形桅杆脉动力数值计算及有效性验证

2.3.3 Strouhal数的数值实验结果及有效性验证

2.4 本章小结

第3章 流固耦合对桅杆计算结果的影响

3.1 流固耦合数值实验基础

3.1.1 直接法

3.1.2 迭代法

3.2 ADINA和流固耦合(FSI)

3.3 桅杆流固耦合数值分析

3.3.1 计算模型

3.3.2 计算结果分析及对比

3.4 本章小结

第4章 八边形桅杆风载特性研究

4.1 桅杆平均压力系数

4.1.1 平均压力系数随雷诺数的变化规律

4.1.2 平均压力系数沿桅杆垂向变化规律

4.1.3 平均压力系数沿桅杆周向变化规律

4.1.4 八边形桅杆平均压力系数简化分析

4.2 桅杆脉动压力系数

4.2.1 脉动压力系数随雷诺数的变化规律

4.2.2 脉动压力系数沿桅杆垂向变化规律

4.2.3 脉动压力系数沿桅杆周向变化规律

4.2.4 八边形脉动载荷特性分析

4.3 桅杆脉动频率规律

4.4 桅杆风载特性

4.4.1 风载衡准

4.4.2 有效性验证

4.5 本章小结

第5章 四边形及六边形桅杆风载特性研究

5.1 四边形桅杆风载特性研究

5.1.1 四边形桅杆数值模型

5.1.2 四边形桅杆数值计算结果

5.1.3 四边形桅杆风载特性

5.2 六边形桅杆风载特性研究

5.2.1 六边形桅杆数值模型

5.2.2 六边形桅杆数值计算结果及衡准研究

5.3 不同形状桅杆风载对比

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