基于CFD+FEM的无转角及有转角楔形体舱段结构入水砰击研究

摘要

船舶在斜浪中航行时，容易发生横摇与横倾运动，这会使得船艏在发生砰击现象时带偏转角度，此时的砰击载荷比船舶在顶浪中航行时的砰击载荷更加严重。如果持续发生这种砰击现象，就会导致船艏结构发生变形，甚至会引发船艏结构的破坏，危及船舶的安全性能。因此合理预报船艏在有转角下落时的砰击载荷和结构动响应，对船舶在斜浪中航行的安全具有重要意义。基于以上现状，本文提出了CFD+FEM方法对无转角和有转角楔形体舱段结构入水砰击进行研究。 本文首先提出了采用开源CFD软件OpenFOAM预报二维无转角楔形体剖面砰击载荷的方法。本文基于OpenFOAM软件中两相流求解器InterDyMFOAM开发了数值模拟二维无转角楔形体剖面入水砰击的程序包，模拟了入水砰击过程的压力和加速度时域响应过程，与入水砰击模型试验进行了对比分析，吻合很好，并对程序算法进行了敏感性分析。其次将程序算法应用于二维有转角楔形体剖面入水砰击载荷研究。 然后，本文在OpenFOAM的基础上将自行开发的预报二维无转角和有转角楔形体剖面入水砰击载荷的程序算法推广到三维，将数值模拟结果与试验结果进行了对比分析，吻合很好，并讨论了三维效应。接着将二维与三维数值模拟结果进行了对比分析，并讨论了砰击压力系数。本文提出的入水砰击载荷预报方法，计算效率高，具有推广应用到预报复杂三维船首结构砰击问题的潜力。 最后，本文提出了采用CFD+FEM方法对三维楔形体舱段结构入水砰击动响应过程进行数值预报。本文基于自行开发的预报三维局部结构入水砰击载荷的程序包，结合ANSYS软件能够预报无转角及有转角楔形体底部加筋板结构在入水砰击过程中的应力响应时域结果，与入水砰击模型试验结果进行了对比分析，吻合良好。本文提出的预报楔形体加筋板结构入水砰击动响应方法，为后人研究斜浪中航行船舶首部砰击动响应问题提供了可靠的依据，具有重要的理论意义和工程应用价值。

目录

第1章 绪论

1.1 引言

1.2 砰击问题国内外研究现状

1.2.1 波浪中船舶砰击载荷预报研究

1.2.2 局部结构砰击载荷预报研究

1.2.3 局部结构砰击动响应预报研究

1.3 本文的主要工作

第2章 局部结构砰击载荷与动响应数值模拟方法研究

2.1 预报砰击载荷的CFD方法

2.1.1 控制方程与离散方法

2.1.2 湍流模型

2.1.3 自由表面捕捉技术

2.1.4 动网格技术

2.1.5 OpenFOAM程序算法

2.2预报砰击动响应的FEM方法

2.2.1 控制方程

2.2.2 求解方法

2.2.3 CFD+FEM程序算法

2.3 本章小结

第3章 二维楔形体剖面砰击载荷数值模拟研究

3.1 实验介绍

3.2 二维无转角楔形体剖面砰击载荷数值模拟研究

3.2.1 无转角模型建立

3.2.2 数值模拟算法研究

3.2.3 不同高度模拟结果与试验结果对比

3.3 二维有转角楔形体剖面砰击载荷数值模拟研究

3.3.1 有转角模型建立与网格划分

3.3.2 模拟结果与试验数据对比

3.3.3 不同高度模拟结果与试验结果对比

3.4 本章小结

第4章 三维楔形体舱段砰击载荷数值模拟研究

4.1 三维无转角楔形体舱段砰击载荷数值模拟研究

4.1.1 无转角模型建立与网格划分

4.1.2 模拟结果与试验数据对比

4.1.3 三维效应分析及入水过程压力云图

4.1.4 三维模拟结果与二维模拟结果比较

4.2 三维有转角楔形体舱段砰击载荷数值模拟研究

4.2.1 有转角模型建立与网格划分

4.2.2 模拟结果与试验数据对比

4.2.3 三维效应分析及入水过程压力云图

4.2.4 三维模拟结果与二维模拟结果比较

4.3抨击压力系数讨论研究

4.3.1 无转角不同高度砰击压力系数比较

4.3.2 有转角不同高度砰击压力系数比较

4.4 本章小结

第5章 楔形体舱段结构动响应数值模拟研究

5.1 无转角楔形体加筋板结构瞬态应力分析

5.1.1 无转角模型建立和网格划分

5.1.2 无转角结构瞬态分析模拟结果

5.1.3 无转角不同下落高度模拟结果分析

5.2 有转角楔形体加筋板结构瞬态应力分析

5.2.1 有转角模型建立和网格划分

5.2.2 有转角结构瞬态分析模拟结果

5.2.3 有转角不同下落高度模拟结果分析

5.3 本章小结

第6章 总结与展望

6.1 全文总结

6.2 未来工作的展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢