高速三体船砰击强度研究

摘要

高速三体船的砰击强度研究是非常复杂和具有实际意义的课题。在国家863计划项目--高速三体船关键技术研究支持下，本文采用数值仿真与试验研究相结合的方法研究了高速三体船砰击强度问题，主要研究内容和结论如下： 1、对国内外已有的结构入水砰击的基本理论进行消化、吸收和总结,重点介绍了楔形体入水砰击基本理论、数值计算方法和水弹性理论，平底结构入水的空气垫理论，考虑空气垫效应平底结构砰击压力峰值计算方法，三维钝体结构入水的线性理论及其“反问题”方法，分析总结了各理论的适用范围和存在的不足之处。 2、对高速三体船砰击强度中运用的数值仿真方法的基本理论和关键技术进行了研究，明确了仿真中使用的流体材料和结构材料物理参数和力学行为，确定了使用无反射边界条件消除边界对砰击区域的影响，采用刚性墙对称边界条件减小运算量；研究了仿真计算模型的网格尺寸和精度控制的问题，得出了高速三体船结构入水砰击仿真计算较优的网格划分尺度，有效的解决了LS-DYNA通用软件在高速三体船砰击强度研究上的应用问题。 3、在采用LS-DYNA仿真计算平板结构入水砰击问题与已有试验对比的基础上，证明用LS-DYNA仿真计算结构入水砰击问题的正确性和有效性。在此基础上，采用有限元流固耦合方法研究了高速三体船连接桥结构的入水砰击问题，得到了一些有意义的结论：(a) 主船体溅射的浪花导致主船体和辅船体间空气的逃逸，削弱空气垫的缓冲作用，连接桥的砰击压力峰值比作为平板处理时的值大。(b) 在系列仿真研究的基础上，回归了高速三体船入水砰击连接桥砰击压力峰值的公式，砰击压力峰值基本上与入水速度的平方成正比；空气垫、飞溅等非线性因素对连接桥砰击压力的影响随着砰击速度的增加成二次指数递减；砰击速度较低时影响随着速度的增加迅速减小，砰击速度较高时基本没有影响。(c) 连接桥压力峰值在连接桥距主船体舷侧0.7b的距离形成最大值，在连接桥距主船体舷侧0.3b处形成次大值。(d)连接桥所受的砰击压力持续时间与速度成一次指数递减；在砰击速度较低时，压力峰值持续的时间随着砰击速度的增加迅速递减；在砰击速度较高时，压力峰值持续的时间递减速度十分缓慢。(e)空气层在高速三体船连接桥入水砰击中减小了压力峰值，起到缓冲垫作用，随着砰击速度的增加，空气层对压力峰值的影响减小；随着高速三体船结构质量增加，连接桥砰击压力峰值迅速增大，当结构质量超过一定的临界结构质量值时，砰击压力峰值基本保持不变；随着连接桥宽度的增加，连接桥压力峰值基本成线性增加；当高速三体船主船体舭部升高角度较小时，砰击压力峰值并不是很大，当角度到达第一临界角度时，连接桥的砰击压力峰值迅速增大，当角度到达第二临界角度时，随着角度的增大，砰击压力峰值增加速度减缓，在此基础上提出了砰击压力临界舭升高角的概念。 4、采用数值仿真方法研究了高速三体船主船体砰击问题，得到一些有意义的结论：(a) 在系列仿真研究的基础上，回归了高速三体船入水砰击主船体砰击压力峰值的公式，发现砰击压力峰值基本上与入水速度的平方成正比；空气垫、飞溅等因素对主船体砰击压力峰值的影响随着砰击速度的增加成二次指数递减：主船体砰击压力峰值在距主船体纵中剖面3/8B的距离处形成最大值；主船体砰击压力持续时间与速度成一次指数递减。(b)空气层在高速三体船主船体砰击中起到缓冲垫作用，有利于减小主船体砰击压力峰值：空气层对主船体砰击压力峰值的影响随着砰击速度的增加而减小，并且在低速时影响要比高速时显著；高速三体船结构质量和连接桥宽度对主船体砰击压力峰值的影响较小；随着高速三体船主船体舭部升高角度的增加，主船体的砰击压力峰值逐渐减小，并且与庄生仑博士试验结果具有相同的变化趋势。 5、介绍了在水动力学冲击领域内试验研究一系列成果：庄生仑对平底结构和楔形体砰击的系列试验研究、MARINTEK实验室对楔形体和船艏外飘砰击的试验研究、楔形体入水冲击国际性比较研究、SWATH双体船入水砰击试验研究和VISBY隐身舰实船试验研究。在此基础上，试验研究了高速三体船砰击强度，自行设计了试验装置和试验模型，完成了试验装置和模型的加工，调试了整个试验系统，进行了高速三体船模型系列砰击试验。试验记录了高速三体船发生砰击时的完整过程，测试了高速三体船模型在不同高度下落入水砰击过程中主船体和连接桥受到的砰击压力峰值及分布、加速度响应值和变形响应值，并把压力峰值与入水速度值进行回归分析，提出了主船体和连接桥的砰击压力峰值预报公式，从公式中分析得知，压力峰值与入水砰击速度的平方成正比，空气垫、飞溅等非线性因素的影响随着速度的增加成二次指数递减趋势，验证了仿真研究高速三体船砰击强度相关规律的正确性。试验也证实了只有当高速三体船的相对速度超过砰击临界速度时才可能发生砰击。 6、将试验取得的加速度响应值和变形响应值与三维仿真计算进行比较分析，验证了仿真方法计算高速三体船砰击强度的可行性和准确性，分析了两种方法误差的原因，指出了仿真方法的不足之处并提出改进方法，为仿真方法在高速三体船砰击强度问题上的进一步研究提供了参考。在此基础上计算分析了高速三体船发生砰击时结构的动力响应及相关规律。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章 绪论

1.1立题背景

1.2立题意义

1.3高速三体船砰击问题的特点和研究方法

1.4砰击问题国内外理论研究概述

1.4.1楔形体砰击问题

1.4.2平底结构砰击问题

1.4.3三维结构砰击问题

1.5砰击问题国内外数值与仿真研究概述

1.5.1楔形体砰击问题

1.5.2平底结构砰击问题

1.5.3三维结构砰击问题

1.5.4船舶结构砰击问题

1.5.5 LS-DYNA软件仿真应用

1.6砰击问题国内外试验研究概述

1.6.1楔形体砰击问题

1.6.2平底结构砰击问题

1.6.3船舶结构砰击问题

1.7本文的主要研究工作

第2章结构入水砰击基本理论

2.1引言

2.2二维楔形体结构入水砰击理论

2.2.1二维水动力砰击理论

2.2.2 Wagner拟合理论的推广

2.2.3二维水动力冲击的数值计算

2.2.4楔形体入水冲击的水弹性理论

2.3二维平底结构入水砰击理论

2.3.1空气垫理论模型

2.3.2空气层的基本方程

2.3.3水面的升高

2.3.4初始条件和边界条件

2.3.5考虑气垫效应平底入水冲击的压力峰值估算

2.4三维结构入水砰击理论

2.4.1线性三维入水理论

2.4.2“反问题”方法

2.5本章小结

第3章结构入水砰击仿真的基本理论和关键技术

3.1 LS-DYNA概述

3.2 ALE方法简介

3.2.1传统的数值方法

3.2.2ALE算法的特点

3.3 ALE方法基本控制方程

3.4时间积分

3.5平滑算法

3.5.1等势平滑算法

3.5.2简单平均

3.5.3 Kikuchi算法

3.5.4复合平滑算法

3.6对流算法

3.7流体-结构耦合算法

3.7.1合并流体和结构的界面节点

3.7.2接触算法

3.7.3欧拉-拉格朗日耦合算法

3.7.4罚函数耦合

3.7.5侵蚀算法

3.8材料特性

3.8.1流体材料

3.8.2结构材料

3.9边界条件和初始条件

3.9.1无反射边界条件

3.9.2刚性墙对称边界

3.10网格的尺寸和精度控制

3.11本章小结

第4章 高速三体船连接桥入水砰击仿真研究

4.1引言

4.2计算模型

4.2.1平板模型的验证

4.2.2高速三体船入水砰击模型

4.3高速三体船连接桥结构入水仿真研究

4.3.1流场内压力和速度的变化

4.3.2连接桥砰击压力峰值

4.3.3连接桥砰击压力的分布

4.3.4连接桥砰击压力的持续时间

4.4影响连接桥砰击压力因素研究

4.4.1空气层对连接桥砰击压力的影响

4.4.2结构质量对连接桥砰击压力的影响

4.4.3连接桥宽度对连接桥砰击压力的影响

4.4.4主船体舭升高角度对连接桥砰击压力的影响

4.5本章小结

第5章高速三体船主船体入水砰击仿真研究

5.1引言

5.2高速三体船主船体结构入水砰击仿真分析

5.2.1主船体砰击压力峰值

5.2.2主船体砰击压力的分布

5.2.3主船体砰击压力的持续时间

5.3影响主船体砰击压力因素研究

5.3.1空气层对主船体砰击压力峰值的影响

5.3.2结构质量对主船体砰击压力的影响

5.3.3连接桥宽度对主船体砰击压力的影响

5.3.4主船体舭升高角度对主船体砰击压力的影响

5.4本章小结

第6章高速三体船砰击问题试验研究

6.1 水动力冲击的试验研究及与理论计算的比较

6.1.1庄生仑的系列砰击试验研究

6.1.2 MARINTEK的砰击试验研究

6.1.3 楔形体入水砰击国际性比较研究

6.1.4 SWATH入水砰击试验研究

6.1.5 VISBY隐身舰艏部砰击实船试验研究

6.2高速三体船砰击试验研究

6.2.1试验目的

6.2.2试验原理和流程

6.2.3试验装置的设计

6.2.4试验模型设计

6.2.5试验仪器

6.2.6试验方案

6.2.7试验过程

6.2.8试验结果

6.3高速三体船砰击问题三维仿真研究

6.3.1三维仿真模型

6.3.2三维仿真结果

6.3.3三维仿真值与试验值间的误差分析

6.3.4三维模型仿真动力响应分析

6.4本章小结

第7章结论与展望

7.1论文的结论

7.2论文的创新点

7.3研究工作展望

参考文献

致谢

攻读博士学位期间发表的论文

参与的科研项目与专利