船型要素对三体船耐波性和波浪载荷影响的数值计算

摘要

随着我国国民经济持续高速增长，对水运和海洋工程的要求也日益提高，新船型和新型海洋平台不断出现，原有的规范已经逐渐不能满足新型船舶和海洋结构物的安全性计算的需要。尤其对于近两年发展起来的高速三体船来说，国内外的规范及相关研究文献非常有限，而随着计算机技术的发展和结构分析方法的进步，为结构三维有限元分析和可靠性分析提供波浪载荷的要求越来越多，这就对波浪载荷和运动计算预报方法提出了新的要求。 目前，优化作为提高性能的重要手段，在设计过程中越来越多的被设计者所采用。而为了改变船舶性能，较为直观的方法就是控制影响性能的船型要素，如我们所熟悉的影响船舶阻力的主要参数有：船长(L)，宽(B)，吃水(T)，棱形系数(Cp)，纵向浮心位置(lcb)，船舯系数(Cm)等。作为一种新型船舶，高速三体船设计者为寻求较好耐波性性能的船型，在设计初期必须对影响三体船运动及载荷的船型要素有所了解，以便在设计过程中选取合适的船型参数及在性能优化过程中对已有参数进行必要的改进以得到具有更好耐波性能的三体船型。以往在对船型要素影响船舶性能的研究过程中，设计者往往通过对大量系列船模进行水池试验，相互对比进而体现主要船型要素影响的主次程度，如ossers等人所做的系列60船模试验[1]，D．贝利、C．恩等人所做的NPL高速圆舭型系列船模试验[2]。这样通常会耗费大量的人力、物力。近年来，随着计算机的发展，各种水动力、结构、稳性的商业软件不断涌现，给船舶设计优化提供了一条便利的途径。借助具有足够精度，与实际模型试验相符的商业软件，设计者可方便的计算出给定船型的船舶性能。 然而，对单一船型进行计算，仅仅可以作为对此船型性能的评估检验，不具有类比性。为得到船型要素对船舶耐波性及波浪载荷的影响，必须对系列船型进行系统计算，得出不同参数下船型的运动和载荷，相互对比，给设计者提供有效的参考依据。鉴于此，本人编写系列船型变换程序。改变其中一个参数，通过另外一个参数调整，保持其他参数基本不变，以得到系列变化的效果。程序包含四个子模块：STRETCH模块、CMVRAY模块、CHANGECP模块、CDRAFT模块，提供长、宽、吃水尺度变换，剖面形状变换，棱形系数变换及排水量变换四种变换模式。 根据程序派生的系列船型，并考虑到侧体布局的影响，本文对三体船六自由度运动和波浪载荷进行了详细计算。首先分析了船型要素对耐波性及载荷的影响，并对目前国内外三体船阻力、耐波试验结果及理论分析进行整理归纳。在以上结论基础上，分别计算了单一船型在不同浪向、不同航速下运动和载荷；不同船型、不同侧体布局三体船在恒定航速和浪向下的运动和载荷。根据计算结果，分析了三体船耐波性和波浪载荷的特点以及船型、侧体布局对三体船耐波性和波浪载荷的影响。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：符号定义

声明

第1章绪论

1.1论文的目的和意义

1.2船舶运动和载荷的研究发展概述

1.2.1二维切片理论

1.2.2三维水动力理论

1.3高速三体船的发展概况

1.3.1三体船的发展历史

1.3.2高速三体船的特点

1.3.3高速三体船耐波性研究进展

1.3.4三体船结构载荷

1.4本文主要工作

第2章主要船型参数对耐波性影响的讨论及选取

2.1影响耐波性的主要参数

2.2高速三体船侧体布局、尺寸的选取

2.2.1侧体间距影响的已有研究成果回顾

2.2.2现有船型侧体尺寸的讨论

第3章船型变换程序

3.1程序基本结构和功能

3.1.1基本流程简述

3.1.2主要模块介绍

3.2变换样例

3.2.1变换过程

3.2.2派生船型筛选

第4章三维时域：Rankine源计算原理

4.1简介

4.2势流基本理论

4.2.1坐标系

4.2.2控制方程

4.2.3积分方程

4.3时间步进方法

4.3.1船体运动时间步进算法

4.3.2自由表面时间步进算法

4.4速度势分解

4.5辐射边界条件处理

第5章三体船耐波性和波浪载荷数值计算

5.1规则波中运动和载荷频率响应函数

5.1.1航速对耐波性的影响

5.1.2浪向对耐波性的影响

5.1.3总纵弯矩和垂向剪力频率响应

5.2布局对三体船耐波性和波浪载荷的影响分析

5.2.1侧体间距变换

5.2.2横向位置变化对横摇运动影响

5.2.3纵向间距变化对纵摇和升沉运动影响

5.2.4侧体纵向位置变化对载荷的影响

5.3船型变化的影响分析

5.3.1船型对纵摇和升沉的影响

5.3.2船型对载荷的影响

5.4分析总结

5.4.1运动分析

5.4.2载荷分析

第6章结论与展望

参考文献

致谢