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。

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。

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.

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。

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。

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。

圆筒型FPSO砰击预报模型及响应特性

考虑到砰击载荷的强非线性、随机性等特点,采用模型试验方法对圆筒型浮式生产储卸油装置(Floating Production Storage and Offloading,FPSO)受到波浪砰击作用的概率模型、环境激励规律进行研究。提出基于波面升高无因次化模型的方法,将少量的千年一遇和百年一遇砰击数据进行归一化拟合,以获得圆筒型FPSO的砰击载荷特性。结果显示,平台自身的运动对砰击概率有重要影响,且砰击发生概率加速阶段与砰击点的位置没有明显关系。随着砰击点位置的升高,圆筒型FPSO砰击载荷的量级总体呈上升趋势。由于圆筒型外翻结构的特点,与垂荡周期相近的谱峰周期海况所激发的砰击概率会提升。所构建的无因次化砰击概率模型和无因次化砰击载荷分布模型可对砰击载荷和砰击概率进行预测,并且模型可为长期模拟提供基础。

卷破波斜向作用下方形桥墩砰击荷载研究

沿海桥梁常受到破碎波浪作用,其中卷破波砰击严重威胁结构安全。该文通过理论和试验相结合的方法研究了方形桥墩受到的卷破波砰击荷载。以结构破波荷载经验计算公式和MLM理论模型为基础,建立了方形截面桥墩卷破波砰击荷载理论计算模型。通过卷破波水槽试验探究砰击角度与砰击荷载的关系;对比不同砰击角度理论和试验下方形桥墩截面砰击压强时程,验证了理论模型的有效性,结合试验与理论模型确定了不同砰击角度下方形桥墩卷曲因子的取值范围。研究表明:卷破波砰击方向与方形桥墩迎水轴向夹角越小,砰击荷载越大;该文提出的理论模型能很好地描述方形截面砰击压强时程随砰击角度的变化情况;根据试验结果拟合得出了方形截面卷曲因子随砰击角度的变化公式。

高速艇在波浪下的砰击载荷模型试验研究

高速艇多采用滑行艇型,在波浪中高速航行时,其砰击载荷、运动和结构响应具有十分复杂的强非线性特征。目前尚无有效的数值方法评估高速艇的砰击载荷及其响应,因此多采用模型试验的方法进行测试。本文针对某高速滑行艇开展水池模型试验研究高速艇在波浪工况下的砰击载荷和响应特性;根据相似理论和水池参数确定模型主尺度和波浪工况;根据测试目的制定模型的结构方案,确定模型的参数测点布置方案,并制定高速艇模型试验方案;试验获得高速艇模型在波浪工况下高速航行时的系列砰击压力、加速度和船舯弯矩等试验数据,并对相关数据进行统计分析;通过研究航速、波高、波长等参数对高速艇砰击载荷和响应的影响,得到各工况下压力峰值沿船长的变化规律以及高速艇在波浪海况下的砰击载荷和结构响应特性。本试验研究对于高速艇的实船设计研发具有指导意义。

半潜式平台波浪砰击荷载数值分析

波浪-半潜式平台-系泊系统在不同空间尺度的动力因素具有强非线性,导致波浪砰击荷载峰值、持续时间难以预测。基于光滑粒子法,建立了波浪-浮式结构-系泊系统多体耦合动力分析模型,并将该模型计算结果与文献实验结果进行了对比,验证了其计算的正确性。采用该模型分析了波浪、浮式结构及系泊系统耦合作用下砰击荷载的发展历程,对比了聚焦波与线性波作用下砰击荷载的分布特征,结果表明:静水面以上,聚焦波对半潜式平台立柱的砰击荷载显著大于线性波的砰击荷载,聚焦波砰击荷载是线性波砰击荷载的3~5倍,但静水面以下,2种波浪砰击荷载差异相对较小;线性波作用下,半潜式平台迎浪侧和背浪侧的系泊缆拉力值差异较小,聚焦波作用下迎浪侧的拉力值则显著大于背浪侧,同时大于线性波作用下的拉力值,约为线性波作用下的1.9倍。研究结果为浮式平台波浪砰击荷载安全系数选取提供了参考。

波浪对海上施工平台砰击作用的试验研究II:不规则波

为研究施工平台下表面在波浪场中可能受到的砰击荷载,通过几何比尺为1?50的物理模型试验开展了不规则波对不同倾角和不同高度海上平台的砰击作用三维水池试验研究,讨论了入射有效波高、相对板长、平台净空高度和平台倾角与波浪砰击压强和砰击压力的关系。研究结果表明,平台在不规则波作用下的砰击压强及砰击压力极值具有随机性,经过傅里叶变换,其作用周期与波浪周期一致,并存在明显的高阶成分;5个倾角平台受到的砰击压力随着相对板长的增大而减小,即长波引起的砰击力较大,短波造成的砰击力较小;考虑波浪要素及结构倾角和平台净空高度等因素的影响,给出不规则波作用下固定式海上施工平台下表面受到波浪砰击力有效值的计算表达式,可快速得到平台受到的波浪砰击力,并分析了规则波和不规则波引起砰击力的关系。

舰船波浪载荷响应特性及砰击载荷影响因素分析

目的获取波浪载荷特征,提供准确的设计载荷输入,为舰船结构设计服务。方法采用波浪载荷水池模型试验和理论预报对比的方法,给出波浪载荷传递函数响应曲线,验证理论预报结果的正确性。基于长期预报结果,分析波浪载荷沿船长的分布规律,通过改变超越概率和舰船装载状态,研究二者对波浪载荷的影响。基于模型试验结果,阐释航速引起的砰击弯矩的变化规律。之后,通过改变舷侧外伸平台的宽度、角度、高度等参数,分析参数变化对砰击载荷的影响,揭示波浪载荷的变化规律。结果模型试验结果同理论预报结果吻合较好。垂向剪力、扭矩长期预报结果沿船长呈现双峰值形状,垂向弯矩和水平弯矩长期预报结果沿船长呈现抛物线形状,波浪载荷长期预报结果随超越概率呈大致线性变化关系。大波高、高航速试验工况下,船体弯矩呈现特别明显的非线性特征,舷侧外伸平台宽度越大、角度越小、高度越低,砰击载荷就越严重。结论波高、航速等对砰击弯矩的影响显著,舰船在使用过程中,若要减少砰击的发生,可考虑规避大浪和主动减速。在舰船结构设计阶段,若要减小舷侧外伸平台产生的砰击载荷分量,应从平台的大小、位置、角度等参数的设计确定入手。

滑落式救生艇入水砰击数值预报研究

为突破滑落式救生艇及其相关系统设计的关键瓶颈技术,本文基于RANS方程的粘流场求解和重叠网格技术建立滑落式救生艇抛落入水运动数值计算模型;定量地分析入水速度、入水角度对救生艇入水砰击载荷峰值的影响特性,探究艇体表面所受最大砰击压力载荷分布规律;同时,基于入水砰击理论,求解不同入水速度、入水角度下最大砰击力系数,揭示最大砰击力系数沿船长分布特性。研究结果可为艇体结构设计提供指导,并为救生艇操纵模拟训练系统提供可靠的理论和技术支撑。

波浪对海上施工平台砰击作用的试验研究Ⅰ:规则波浪

为探究施工平台下表面在波浪场中可能受到的砰击荷载,文章通过几何比尺为150的物理模型开展了规则波对不同倾角和不同高度海上平台的砰击作用三维水池试验研究,讨论了入射波高、相对板长、平台相对高度与平台倾角与波浪砰击压强和砰击压力的关系。研究结果表明:规则波作用下波浪对平台的砰击压强及砰击压力具有随机性和周期性,高阶波浪砰击力明显;五个倾角平台受到的砰击压力随着相对板长的增大而减小;考虑波浪要素及结构倾角和平台净空高度等因素的影响,拟合出规则波作用下固定式海上施工平台下表面受到波浪砰击力的计算公式,可为规则波作用下的砰击力快速计算提供有益帮助。

碳纤维增强复合材料夹芯板的砰击损伤特性

复合材料高速船舶在复杂多变的海况中航行时,由于船体结构自身的大幅升沉和纵荡运动,不可避免地会与波浪产生砰击作用,可能产生结构损伤甚至失效。采用欧拉-拉格朗日方法建立了复合材料层合板砰击数值模型,将模拟结果与文献中的试验结果进行对比,验证了流固耦合渐进损伤分析方法的可靠性。在此基础上,建立了碳纤维增强复合材料夹芯板入水砰击流固耦合数值模型,编写了VUMAT子程序,研究了复合材料夹芯板渐进损伤演化特性,分析了砰击水动力载荷、射流和水压分布特性,研究了砰击速度和斜升角对夹芯板损伤特性的影响规律。结果表明,碳纤维增强复合材料夹芯板入水砰击过程经历4个阶段,即初始增长阶段、波动阶段、急剧上升阶段和迅速下降阶段。砰击载荷作用下复合材料夹芯板产生基体损伤和分层损伤,随着砰击速度提升和斜升角增大,砰击水动力载荷逐渐增加,复合材料夹芯板面板损伤范围逐渐扩大。