三维结构撞水的流固耦合动力响应分析

摘要

结构的撞水响应，是流固相互作用领域中一个比较复杂而又有广阔应用前景的动力问题。撞水过程中，不仅物体要产生变形，而且自由液面还会产生大幅度波动，另外流固接触面又不能事先确定，因此难度较大。正因为这样，目前关于撞水响应的研究还有不少问题有待进一步深入。工程中常见的撞水现象，有两种主要表现形式，一种是固体结构以某一速度撞击流体自由表面，另一种是运动流体或波浪对固定结构的砰击（Slamming）作用。实际上第二种撞水现象可按一定方式用第一种现象来进行等价描述。本文主要是就固体对带自由表面流体的撞击过程来研究撞水问题，采用MSC的最著名的大型有限元软件PATRAN和DYTRAN作为前后处理和中间计算，并分析其中包括撞击物体的应力、位移和变形以及液面随时间变化的历程。它的难点来自三个方面：该过程的非定常；液面大波动以及流固接触界面的非线性。本文在计算模拟中将撞水物体采用四边形板壳单元进行网格划分，流场采用六面体单元进行网格划分，为了较好的与实验的数据进行比较。本文对撞水过程中遇到影响撞水的各种因素做综合的分析，并模拟验证其中方法的正确性，得到了与实验数据比较一致的结论，验证了模拟方法的正确性，并在同样的方法下研究了圆柱面和球面的撞水过程，得出了一定有意义结论，同时也指出了存在的问题以及进一步的研究方向。