基于两步法的沙漏型浮体砰击压强分析

为探究沙漏型FPSO的砰击压强特性,采用两步法对浮体在典型波浪环境下砰击次数和砰击压强展开研究。基于波浪势流理论计算沙漏型FPSO在典型波浪环境的运动响应,利用多项式拟合浮体典型剖面在入水前后时刻的垂向速度时间历程曲线;基于计算流体力学理论数值模拟浮体二维剖面入水砰击压强。模拟结果表明,具有优异水动力性能的沙漏型浮体,距离水线面越近的横剖面平均入水砰击次数和有效砰击速度越大;最大砰击压强区域在沙漏型FPSO上浮体舷侧的两端;底部形状越平或曲率半径越来越大,二维剖面的砰击压强峰值越大。

海洋结构物波浪砰击的数值研究综述

波浪砰击是发生在波浪与结构物之间的一种强非线性相互作用,其载荷通常具有峰值大、作用时间短的特点.近年来,海上极端环境导致海洋结构物经常遭受严重的波浪砰击,造成生命和财产损失,从而使得波浪砰击问题备受重视.对于复杂的砰击过程,理论分析和模型实验仅能给出砰击载荷的简化解析解及有限的砰击流场信息,数值模拟逐渐成为研究波浪砰击问题的有效手段.目前,国内外学者已经对海洋结构物的波浪砰击载荷特性、砰击作用过程及其影响因素等问题开展了大量的数值研究,并获得了许多重要的研究结论.针对海洋结构物波浪砰击的数值研究进展、现有方法及重要结论进行综述,为波浪砰击数值模拟的进一步研究提供有益参考.

宽幅平底船型砰击载荷研究

针对宽幅平底船型在风浪中航行,其船艏底部易遭受砰击从而引发船体高频振动的现象,对某型宽幅平底船型进行了研究。通过对目标船艇开展理论计算、船模试验、实船测量等多项工作,研究了非常规船型的砰击载荷。运用理论研究和试验相结合的方法,开展了复杂船型的砰击载荷研究,提出了理论预报的估算公式。通过大量计算和相关试验,得出了船型、航速和海况是影响宽幅平底船型砰击载荷的三大主要因素的结论。

恶劣海况下船舶砰击颤振响应特性数值计算与试验研究

[目的]针对恶劣海况下船舶所受砰击颤振响应现象,探究船舶非线性波浪载荷与瞬态高幅值砰击载荷的耦合作用。[方法]采用计算流体动力学与有限元方法(CFD-FEM)相结合的双向流固耦合方法对S175集装箱船进行数值仿真计算,并与试验结果及切片理论计算结果进行对比验证;采用分段变截面弹性龙骨梁模型开展船舶的砰击颤振特性模型试验,基于CFD-FEM双向流固耦合方法开展船艏砰击载荷及高频非线性砰击颤振响应特性分析,并与模型试验结果进行对比验证。[结果]结果显示,波浪砰击载荷对船艏颤振响应的影响不可忽视,6级海况下由砰击颤振诱发的二阶高频成分分量占低频波浪弯矩的59.86%。[结论]采用基于CFD-FEM的双向流固耦合方法可准确计算船首砰击颤振响应;在高海况下船舶所受非线性波浪载荷及结构动态响应易受船首瞬态砰击载荷的影响,在船舶结构设计与安全评估中需考虑高频砰击颤振的情况。

聚焦波作用下倒圆角方形立柱波浪砰击载荷试验研究

为深入理解极端波浪下海洋结构物的砰击载荷特性,基于波浪水池模型试验,研究聚焦波对倒圆角方形立柱的波浪砰击压力时空变化特性。采用小波分析、局部加权线性回归等方法从波浪载荷测量数据中提取砰击压力,分析波浪周期、波陡、聚焦位置和波浪入射角对砰击压力峰值及冲量分布规律的影响。结果表明:立柱波浪载荷在上部主要为峰值高、作用时间短的波浪砰击压力,静水面附近则为缓变的准静态波浪力;较大的波陡和周期显著增加了立柱的波浪砰击压力和冲量的空间分布范围,且立柱上部砰击载荷明显增大;考虑聚焦位置的影响,发现当波浪聚焦位置位于立柱后表面时的砰击载荷最大。

波浪环境下应急救援艇入水砰击的运动特性研究

基于5阶Stokes波理论,采用速度入口造波法与阻尼消波法,建立效果良好的3维波浪数值水池。研究波浪参数对救援艇入水过程产生的影响,研究结果表明:救援艇垂直入波浪水面时,相对波浪的方位对入水砰击载荷产生的影响大,垂直于波浪入水各相位的砰击载荷均小于静水面;平行于波浪入水,各相位中仅波谷位置入水的砰击载荷小于静水面,平衡位置(下行速度)处的砰击载荷最大,约为静水面情况的1.375倍,随着海况等级的增大,波浪对救援艇入水过程的扰动加剧,砰击载荷增大。救援艇具有水平速度以倾斜姿态入波浪水面时,相比于波浪的传播方向,入水相位对救援艇的砰击载荷产生的影响大,随着海况等级的增加,救援艇各方向的砰击载荷增大,入水过程俯仰角的变化幅值逐渐减小。

大外飘船舶首部砰击模型试验研究

船舶砰击载荷对其结构和航行安全都有重要影响,针对大外飘船舶首部砰击载荷特性开展模型试验研究。分别采用刚体船模和分段弹性船模在拖曳水池完成了不同波高下大外飘船舶首部砰击模型试验,分析船模刚度对首部砰击压力测量结果的影响。在小波高下,刚体船模和分段弹性船模试验得到的砰击压力结果相差不大;在大波高下,刚体船模试验得到的砰击压力比分段弹性船模试验结果偏大。研究分段弹性船模不同位置的砰击压力分布规律,砰击发生时,越靠近船首位置砰击载荷越大,越靠近船底砰击载荷越大。

长艏楼船型艏艉砰击响应试验分析

针对长艏楼船型遭遇的艏砰击及艉砰击现象,采用一系列规则波下的分段模型试验测得典型剖面处的垂向弯矩响应,通过时域向频域的变换获取响应值的非线性砰击弯矩成分,综合分析艏艉砰击载荷下船体的垂向弯矩响应,以及浪向、波高、航速等参数对响应特性的影响。

移动砰击载荷作用下的加筋板动力响应参数分析

针对高海况下船舶结构遭受的砰击载荷问题,该文采用Abaqus有限元软件,模拟了不同移动方向的砰击载荷对5块加筋板动力响应的影响。研究中,砰击载荷被等效为线性上升、指数衰减的脉冲时历形式,通过改变载荷参数(峰值压力、低压值、上升段长度、下降段长度和移动速度),并分析这些参数对加筋板动力响应的具体影响。研究发现,加筋板的动力响应与载荷参数紧密相关,特别是移动速度对动力响应的影响最为显著。此外,通过引入移动动荷系数DLFm和进行无因次化分析,文中深入探讨了动力响应与砰击载荷无因次参数间的变化规律及其敏感度,为船舶结构设计和优化提供了重要的理论依据。

基于梯度增量level-set方法的复杂物体入水砰击数值模拟

复杂结构物自由表面砰击问题,如空投鱼雷、水空无人航行器潜水和高速船出入水,一直是海洋工程领域的研究热点。本文采用梯度增量level-set和虚拟网格法数值模拟复杂结构物的入水砰击,采用时间半隐式有限差分法求解不可压缩Navier-Stokes方程,虚拟网格法可重构复杂结构物界面插值模块并施加无滑移边界条件,梯度增量level-set法可捕捉非线性自由表面翻卷、射流等物理现象。基于以上方法模拟二维圆柱的常速入水砰击,并与试验和数值结果对比,验证本文数值方法的正确性。最后,数值模拟二维船型剖面和飞机剖面的入水砰击,分析了冲击压力、运动响应、压力分布和自由表面运动随入水角度的变化规律。同时,通过模拟可观察到复杂结构浸入水中后的流体分离、射流和小角度空气腔等典型砰击物理现象。

载人潜器砰击载荷数值预报方法研究

本文针对载人潜器水面零航速漂浮状态下的入水砰击载荷计算方法进行研究,给出基于频域和时域运动响应结果进行砰击压力预报的计算流程,推导砰击压力极值计算公式,并对某载人潜器进行频域和时域砰击压力预报。根据计算结果发现:频域方法由于未考虑船体运动和波面倾角对入水角的影响,适用于计算船体摇荡对入水角影响不大的船型;对于载人潜器,艇体的大幅运动会使入水角减小,导致砰击压力系数的明显增大,此时应基于时域方法进行砰击载荷计算,以避免砰击载荷的低估;在零航速工况下,潜器在迎浪一侧的砰击压力会明显大于另一侧,因此艉部在随浪下的砰击压力较大,而艏部则在迎浪工况下砰击压力较大。

浮式海洋平台砰击载荷等效计算方法

目前,船级社规范中没有针对海洋平台砰击载荷的计算方法,一般采用船舶砰击载荷的计算方法,但其计算结果偏差较大。基于波浪能量守恒原理,定义波浪能达到的最大等效高度,利用势流理论开展海洋平台的运动响应计算和长期预报,提出一种波浪砰击载荷等效计算方法。将试验测试结果与采用船级社规范公式计算得到的结果进行对比,验证了所提方法的准确性。

HDPE楔形体入水砰击数值模拟及影响因素

针对高密度聚乙烯(HDPE)材料楔形体垂直入水砰击响应的问题,建立楔形体三维数值模型,采用ALE(任意拉格朗日欧拉)流固耦合数值计算方法开展数值模拟研究,分析不同入水速度、斜升角、板厚对楔形体入水冲击响应特性的影响。研究结果表明,随着入水速度的增加,楔形体加速度峰值增大且相同时间内入水方向位移也增大;楔形体两翼形变与楔形体板厚成反比,增大板厚可以有效减小楔形体的形变;随着斜升角的增大,楔形体所受砰击压力和加速度峰值均明显减小,但对两翼变形的影响不明显。研究成果可为HDPE船舶的工程设计及应用提供一定参考。

船首外飘砰击强度直接计算

基于船舶耐波性理论,建立了船舶首部外飘区域的砰击强度直接计算方法,并对相关的试验数据和规范进行了讨论,给出了可行的处理方法。对一艘大型集装箱船首部外飘区域砰击强度进行直接计算,验证了该方法的实用性。

船首外飘砰击设计载荷直接计算

文章结合三维线性势流理论和砰击速度的长期分析方法,求解出船体外飘位置的设计砰击速度;以首垂线和静水面交点处的设计砰击速度为目标值,给出了用于确定船首外飘砰击设计载荷的等效设计波,进而得到了设计状态下船体外飘剖面与波面相对运动关系;将船体剖面与波面间的相对运动关系等效转化为船体剖面与静水面的相对运动,利用显式有限元方法实现了外飘剖面砰击设计载荷的预报。针对直接计算方法中涉及的设计砰击速度、砰击压力和砰击压力系数,对比分析了文中结果和相应的规范值或试验值,论证了文中船舶外飘砰击压力设计载荷直接计算方法的合理性。

规则波和不规则波中船舶艉砰击及其振动响应的试验研究(英文)

在拖曳水池中对某船舶进行了艉砰击及其振动响应的试验研究。在规则波以及不规则波中的零航速、艉随浪情况下观察到了严重的艉砰击现象。试验数据分析表明,合成弯矩可以分成由波浪载荷引起的低频成分以及由砰击载荷引起的高频成分。由于严重艉砰击载荷的作用,发现在某次规则波试验中合成弯矩比波浪弯矩要大出44%,在3.24m不规则波中合成弯矩增加了43%。不规则波中的试验数据统计表明合成弯矩分布范围服从Weibull分布。推导了服从Weibull分布随机变量的短期概率极值预报公式,针对试验数据进行了预报。还讨论了试验数据分析中的不确定性问题。试验研究表明,对于艉部平坦肥大的船舶,在设计和使用中需要引起对艉砰击及其振动响应问题的重视。

基于直角网格的海洋平台波浪砰击预报方法研究

由于海洋平台砰击过程中可能出现波浪破碎等现象,波浪砰击载荷预报是海洋平台数值模拟的难点。本文基于直角网格方法,建立了适用于模拟海洋平台波浪砰击过程的三维数值模型。在介绍模型数值方法基础上,首先对模型造波与消波精度进行了验证;其次,对某半潜式平台进行模拟,以验证模型模拟波浪砰击过程的准确性;最后,利用该模型对某四柱海洋平台波浪砰击过程进行了研究。结果表明,当前模型可以较好地模拟海洋平台波浪砰击过程中的波浪破碎、爬升和砰击等现象。

二维楔形体砰击载荷研究

利用Fluent软件研究二维楔形体结构的砰击问题,考虑外部大气压重力以及网格影响等因素,建立二维有限元模型,对不同斜升角的楔形体结构以不同的速度进行等速入水的情况进行计算。研究发现,最大砰击压力随着楔形体斜升角的增大而减小,随砰击速度的增大而增大。

船舶外飘砰击有效砰击角概率分布

基于海浪波面斜率的随机性,研究了船舶外飘砰击有效砰击角的概率分布问题.将垂直法平面内船体表面斜升角在初始纵剖线角处泰勒展开,根据船舶运动的随机特性推导了船体表面斜升角的概率密度函数;在随机海浪波面斜率、波面倾角的统计规律和波浪破碎判据条件的基础上,推导了有效砰击角随机变量的概率密度函数,为进一步研究船舶外飘砰击载荷的概率预报方法奠定了基础.

外张砰击压力时间分布的模型试验

在拖曳水池对某集装箱船进行了砰击模型试验.在船底砰击的脉冲三角函数形式的基础上结合试验数据重新确认外张砰击持续时间,建立了一种外张砰击压力时间分布的模型.并且基于瓦格纳型冲击理论对该船的外张砰击压力时历进行预报.预报和试验结果的比较表明,两者吻合较好,该方法能适当反映外张砰击的时历特性.