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。

邮轮开敞区域典型杆件风致噪声特性数值研究

[目的]旨在研究邮轮开敞区域典型杆件产生的风致噪声。[方法]基于计算流体动力学(CFD)联合声类比法、声振耦合法开展气动噪声与风致振动噪声的数值模拟,探究上述两种噪声产生机理及特性。[结果]结果显示,在不同风速下,圆杆、方杆、椭圆杆的气动噪声最大值频率由脱涡频率主导,风致振动噪声最大值频率由结构固有频率主导。3种不同截面形状杆件产生的气动噪声总体上大于风致振动噪声,且方杆的气动噪声最大。当杆件脉动压力频率接近固有频率时,在大柔度下风致振动噪声会接近甚至超过气动噪声。[结论]设计邮轮开敞区域典型杆件时应选择圆形杆件而避免使用方形杆件,且合理选择杆件尺寸,尽量避免杆件脱涡频率与固有频率接近,以此降低风致噪声。

基于RSM-NCGA算法的大型邮轮钢骨架复合材料夹芯板结构优化研究

采用一种钢骨架复合材料夹芯板结构来降低大型邮轮上层建筑重量.运用3D-Hashin失效准则以及损伤材料刚度矩阵退化方法预测结构的渐进损伤,基于ABAQUS二次开发将该结构参数化建模.采用DOE试验设计中的优化拉丁超立方设计采样,依据采样点建立四次多项式响应面代理模型.以结构质量和极限载荷为优化目标函数,基于NCGA遗传算法在响应面代理模型上开展钢骨架复合材料夹芯板结构多目标优化.结果表明:优化结果的质量比初始方案降低12.1%,极限承载能力提高17.4%;通过DOE试验设计与遗传算法混合优化策略可以应用于钢骨架复合材料夹芯板结构设计中的不同问题.

船舶微气泡减阻尺度效应数值研究

文中选取了mixture气液两相流模型和RNG k-ε湍流模型,同时考虑两相间作用力,构建了微气泡减阻数值模型,通过平板微气泡减阻试验数据验证了方法可靠性.对相同傅汝德数下的不同尺度船模微气泡减阻进行模拟,对比不同尺度、不同工况下的计算结果,分析船舶微气泡减阻的相似规律.结果表明:尺度小的船模容易达到气流量饱和,即在此基础上继续增加喷气量对减阻率影响不大,缩尺比λ为20时,最大减阻率可达16%;随着模型尺度逐渐增加,即λ分别为20、15和10时,船模在满足相同傅汝德数和喷气速度的情况下,减阻率具有1.5%左右的减小趋势.

小清河绿色智能船舶关键技术研究

为顺利推进小清河复航工程,本文论证分析了小清河适航船型,对小清河绿色智能船舶关键技术展开研究,以引领内河船舶技术发展和内河航运市场。

大型邮轮中央大厅结构直接计算研究

[目的]中央大厅是邮轮上层建筑中一种重要空间功能性舱室,其结构具有板厚薄、跨度大、支撑少、载荷复杂等特点,为结构设计带来了较大的难度。亟需提出一种可靠便捷的中央大厅结构分析评估方法,用以指导结构设计工作。[方法]以中国船级社(CCS)《邮轮局部结构直接计算指南2021》为主要依据,结合中央大厅结构载荷特点,开展邮轮中央大厅结构直接计算研究。直接计算研究中,结构所受载荷被等效并简化为总纵弯矩载荷、垂向剪切载荷、以及局部甲板载重的叠加。[结果]结构直接计算结果与全船有限元仿真结果吻合较好,验证了将直接计算流程应用于邮轮中央大厅结构设计研究的可行性。[结论]研究结果可为大型邮轮中央大厅结构设计计算流程提供参考。

基于有限相似方法的轴压加筋板极限强度相似缩比准则研究

在对船体结构进行相似缩比试验设计时,通常采用方向性量纲分析法。然而,传统的基于弹性理论的量纲分析法不能反映结构材料非线性过程,因而限制了其在船体结构缩比模型极限强度试验中的应用。本文基于有限相似方法,通过匹配物理空间与试验空间中的输运方程,获得结构几何尺寸、材料密度和时间的比例因子,推导得到加筋板结构缩比模型与原模型的非线性过程相似关系,分析材料参数对非线性相似过程的影响。通过开展不同缩比比例、不同材料参数的加筋板轴压极限强度数值计算,验证基于有限相似方法缩比准则的有效性。分析表明,基于有限相似方法的轴压加筋板极限强度缩比准则可以很好地体现材料的非线性特性,可以通过缩比模型结果对原模型的极限强度取得良好的预报效果。

节能环保江海直达船舶关键技术研究

当前航运市场要求船舶大型化、绿色化,宽扁型江海直达船舶开发应运而生。由于江海直达船舶既航行于吃水、高度、长度受限的江段,又航行于风浪较大的海段,因此对船舶的适航性、结构强度、操纵性都有着严格要求。从宽扁船型技术、适航性技术、节能减排技术和结构轻量化技术等方面对江海直达船舶关键技术展开研究,开发出以节能、环保、经济、高效为特征的“4E”船舶,可为长江经济带、“一带一路”等建设提供可靠的航运支撑。

桥墩倾斜方向对自浮式防撞装置防护效果影响研究

随着航道上大跨度桥梁的建设愈加广泛,其桥墩在水面附近往往具有一定的倾斜角度。为研究桥墩倾斜方向对自浮式防撞装置防护效果的影响,文章基于装备自浮式防撞装置的2种倾斜方向的桥墩与6000DWT级散货船为研究对象进行非线性有限元仿真碰撞计算,分析桥墩倾斜方向对不同航速船舶撞击下桥墩撞击力、系统能量转换、船艏结构破坏的影响。结果表明:外倾式桥墩受到撞击力更小,其防撞装置通过变形吸收能量更多、防护效果更好。研究成果可为大跨度桥墩设计与防撞装置的开发提供重要的参考价值。

大型邮轮舷侧连续开口结构弯剪强度简化计算研究

采用实船舱段模型分析船体结构强度过程较为复杂且耗时较长,建立简化模型是实现邮轮舷侧结构强度快速评估的有效手段,可为其初步设计提供重要支撑.文中基于劳氏船级社规范中的多甲板大型客船上层建筑舷侧开口结构强度校核评估计算方法,建立评估大型邮轮舷侧结构弯剪强度的简化计算模型,研究含开口舷侧结构在波浪弯矩作用下的承载特性和失效模式.结果表明:在静强度分析中,舷侧简化模型与全船半宽模型在波浪载荷作用下的应力分布和破坏位置基本一致;在极限强度分析中,简化模型可快速评估含开口舷侧结构的极限载荷及失效模式,文中所提出的舷侧结构简化模型为邮轮及客船结构设计提供了简便建模及分析方法.

焊接工艺参数对船舶加筋板结构的声振特性影响研究

[目的]焊接是舰船结构连接的常用方法,焊接对结构的声振特性有一定影响,因此需进一步研究焊接参数对结构声振特性的影响规律。[方法]联合运用热弹塑性有限元法和声固耦合有限元法,探究焊接工艺参数对船舶典型加筋板结构声振特性的影响规律。[结果]结果表明:焊接残余应力受焊接输入功率和焊接速度影响明显,焊接输入功率越高焊接残余应力分布范围越大,焊接速度越慢焊接残余应力分布范围越大。船舶典型加筋板结构声振仿真计及残余应力时,其结构固有频率,加速度响应和辐射声压级频谱曲线等均发生改变。其中固有频率随输入功率增加而下降明显。[结论]仿真模型考虑焊接残余应力将提高结构低阶固有频率和响应预报的准确度,研究可为低噪声焊接工艺制定提供指导。

大型邮轮开敞区域振动噪声研究综述

针对大型邮轮开敞区域的振动噪声展开研究,分析梳理在该区域典型休闲娱乐空间的主要功能、特点以及振动声源特性。简述适用于邮轮开敞区域结构振动的子模型预报方法,介绍风致振动在邮轮开敞区域的研究进展。分别从噪声频率、声场空间两个维度,分析离散法(FEM/BEM/IEM)、统计能量法(SEA)、几何声学/声线法各自的优势及不足,指出运用混合方法预报邮轮开敞区域噪声具有较好的适应性,可用于建立邮轮开敞区域噪声预报流程。通过对传统的邮轮开敞区域噪声评价与衡量方法的分析,提出基于声景舒适度评价方法的设计理念,其对大型邮轮开敞区域的振动噪声预报与控制具有借鉴作用。

船舶结构碰撞试验及简化数值计算方法

[目的]采用流固耦合计算方法虽能较好地模拟船舶碰撞过程,但计算时间较长,为此,提出一种简化的数值计算方法。[方法]以某船的局部舱段为对象,开展多工况水上碰撞试验。采用力传感器和基于高速摄影技术非接触测量的方法获得到碰撞力及碰撞船的运动时程数据,通过对碰撞接触力和加速度响应等数据进行分析,并针对试验过程开展任意拉格朗日-欧拉(ALE)流固耦合数值计算分析,提出将碰撞过程中水域对撞击船的影响简化为等效质量,将对被撞船的影响简化为等效阻力,以面力的形式作用于被撞船非撞击侧用以阻碍被撞船运动的简化方法,然后基于此简化方法开展不涉及水域与结构耦合过程的数值计算。[结果]结果显示,采用简化计算方法得到的各工况的碰撞力峰值与试验值间的误差均在5%以内,且该方法所需要的计算时长远小于ALE流固耦合算法。[结论]所提简化数值计算方法可为实现船舶结构碰撞响应的高效计算提供一定的参考。

封闭空间内活性毁伤元战斗部爆炸载荷特性研究

为探明活性毁伤元战斗部封闭空间爆炸载荷特性,开展了活性毁伤元战斗部、惰性战斗部和裸装药的舱内爆炸对比试验,结合高速数据采集系统和三维扫描技术,分析了不同类型战斗部的舱内爆炸压力、温度、受载结构的变形响应和活性材料的能量释放特性,结果表明活性毁伤元战斗部大幅度提高了舱内的准静态压力、温度峰值和受载结构的残余变形,相较于惰性战斗部和裸装药,爆炸压力、温度和结构残余变形最大提高了79.7%、93.6%和62.1%。此外,活性材料能量释放速率、能量释放量与爆轰能量之间呈现正相关关系,其中能量释放量随着爆轰能量的增大出现收敛现象。最后基于活性毁伤元战斗部载荷特性以及金属薄板的爆炸响应规律,发现活性材料的持续释能现象导致舱内准静态压力和结构在1 ms内所受冲量大幅度增加,两者共同影响结构的残余变形。

渐递进邮轮造型与功能布局逆向设计方法

为了形成我国邮轮的自主设计能力,提升在邮轮概念方案阶段中的智能化设计水平,提出一种渐递进邮轮造型与功能布局逆向设计方法。在剖析大型邮轮外观形态特征和内部功能区布局特征基础上,形成中大型邮轮典型特征值船型库,采用匹配值和关联值等逆向设计法来生成设计船造型与方案,并基于RHINO的二次开发,编制一套专门针对中大型邮轮上层建筑造型和内部功能区布局概念方案设计的软件模块,进行示例验证。结果表明,该方法生成的设计方案与原船设计拟合相似度高,方案逆向还原性强,证明应用该设计方法生成的方案具有直观性和可行性。该方法的实施可有效帮助设计师与船东来描述和展现邮轮船型方案,为将来进一步构建“邮轮设计脑”做出积极探索。

大型邮轮甲板层数对上层建筑变形特性的影响

为了满足人们对宽敞居住空间、娱乐和休闲等的需求,邮轮往往设置多层丰满轻型上层建筑,复杂结构使得其参与船体总纵弯曲的程度及变形特性难以确定。以某大型邮轮为研究对象,将模型试验与数值计算相结合,研究上层建筑甲板层数对其变形特性的作用机理及影响程度,探讨上层建筑的变形特性。研究结果可为安全可靠的邮轮上层建筑结构设计以及形成自主设计技术提供可靠支撑。

喷丸强度对船舶典型Q345钢十字型焊接接头残余应力分布的影响

对船舶典型Q345钢十字型焊接接头进行了不同喷丸强度(0.167,0.183,0.198 mm)下的喷丸处理,研究了喷丸后接头残余应力表面和沿深度方向的分布以及疲劳寿命,确定了最优喷丸强度。结果表明:喷丸处理消除了焊接接头表面残余拉应力,引入了较高水平残余压应力,改善了表面残余应力分布均匀性,增加了残余应力影响层深度,延长了疲劳寿命;随着喷丸强度增加,引入的残余压应力增大,分布均匀性先提升后减小,残余应力影响层深度增加,疲劳寿命先延长再缩短;最优喷丸强度为0.183 mm,此时焊接接头表面残余压应力较大,分布均匀性最好,残余应力影响层深度较大,疲劳寿命最长。

基于船舶-流场耦合作用的内河航段船舶航行虚拟辅助驾引

[目的]为进一步提高船舶航行的安全性,对船舶辅助驾驶决策相关内容开展研究。[方法]针对选取的两段内河典型航段,基于实时数字航道流场信息,考虑航行规则约束,模拟船舶-流场耦合作用下的复杂流场航段虚拟辅助驾引。模拟南京和东流航段的虚拟辅助驾引,给出相应的安全驾驶方案,在航行过程中对船舶速度、位置和航向等信息进行实时追踪。[结果]仿真结果表明,基于Fluent二次开发的船舶-流场耦合作用的算法可有效解决船舶多自由度运动耦合和船舶-流场多物理场耦合的解耦问题;遇见弯道或分汊时,操小舵角长距离航行可以在避免降速和较大横移的同时实现船舶的安全航行。[结论]该算法可以有效对接数字航道流场信息,开展复杂流场环境下内河航段船舶航行的过程模拟,结果可为内河航段船舶智能航行决策提供数据支撑。

基于代理模型技术的江海直达船体结构可靠性优化设计

为提高船体结构可靠性优化设计这类多参数、高维度、高非线性优化问题的效率,弥补传统船体结构确定性优化设计对影响结构安全不确定性因素考虑的欠缺,本文以一艘江海直达船为研究对象,采用BP(Back Propagation)神经网络代理模型技术,结合SMOTE(Synthetic Minority Oversampling Technique)过采样算法增加极限状态失效面附近样本点数量,实现以较少的样本点获得较高精度的船体舱段结构极限状态代理模型,进而利用蒙特卡洛抽样模拟方法编制船体结构可靠度计算程序,在结构可靠性分析的基础上以降低船体舱段结构重量为目标,采用模拟退火优化算法开展船体结构可靠性优化设计。本文建立了一套完整有效的、基于代理模型技术的船体结构可靠性优化设计系统,有效提高了优化设计的效率,对江海直达船体结构可靠性优化设计具有指导意义。

封闭空间内爆载荷下结构响应试验及仿真研究

TNT在封闭空间内爆炸会发生燃烧反应并释放大量的能量,这些附加能量会对内爆载荷起到增强作用,为分析封闭空间内爆炸载荷作用下的结构动态响应。开展封闭空间爆炸试验,通过试验数据对称性验证,说明试验中压力测试结果准确可靠;然后开展数值计算研究,并探讨板厚、屈服应力和边界约束3个因素对靶板结构动态响应的影响。数值计算与试验结果的准静态压力吻合较好,靶板中心点初始峰值位移和最终位移的误差均小于5%,验证数值计算方法的可靠性;靶板中心点初始峰值位移和最终位移增大比例与板厚减小比例相当;靶板中心点初始峰值位移减小比例约为屈服应力增大比例的0.2倍,而最终位移的减小比例约为屈服应力增大比例的0.4倍。所采用的数值计算方法能够很好地模拟结构在封闭空间爆炸载荷作用下的响应,可为舰船抗爆结构设计提供一定参考。