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。

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。

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。

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。

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。

大开口船舶弹塑性响应的水池模型试验研究

[目的]旨在探究中部大开口船舶在波浪中的动态运动和结构响应特性。[方法]参考集装箱船中部载货和具有大开口的特点,设计制作加筋板式船舶模型,并在造波水池中开展系列线性和非线性工况试验,测量船模在压载和波浪共同作用下产生的弹性、塑性变形以及甲板区域的应力变化。[结果]结果表明,结构塑性的出现会稍微降低整体纵摇运动的增幅,并延长中垂变形的发生时间;波浪幅值越大,诱发的结构高频振动越明显。[结论]对于中部具有大开口的船舶,中垂时产生的高频应力比中拱时更大,其与低频应力的叠加对船舶安全性会造成更大威胁,需要在船舶设计中予以考虑。

基于改进蚁群算法的微气泡减阻气流量智能调控技术研究

[目的]为了提高微气泡减阻技术的实际效能,基于改进蚁群算法开展微气泡减阻气流量智能调控技术研究。[方法]首先,基于微气泡减阻机理,利用自主研发船模样机开展微气泡减阻试验,获得不同航速下的理想最佳气流量;随后,采用改进蚁群算法,开发气流量智能调控技术的软件系统;最后,将智能调控硬件系统应用于船模样机,开展自航模试验以验证该技术的有效性。[结果]所研技术不仅可以有效地调控气流量达到最佳微气泡减阻效果,还可以监控航速变化对气流量进行自适应调控,使船舶在各种航速下均能保持最大减阻。[结论]该技术可以提高微气泡减阻技术的自动化与智能程度,增强微气泡减阻技术的实际效能。

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.

大型邮轮上层建筑舷侧开口结构剪切强度试验研究

以某大型邮轮上层建筑舷侧局部结构为研究对象,设计两种典型舷侧开口结构的缩比模型并开展了剪切强度试验研究,探究了在剪切载荷作用下大型邮轮舷侧局部开口结构的屈曲失效模式、应力状态和极限承载能力,归纳了舷侧开口结构的变形特点和应力分布特征。研究结果对于国内大型邮轮上层建筑舷侧结构设计及剪切强度评估具有较大参考价值。

大型邮轮偏心支柱结构极限承载力研究

为满足大型豪华邮轮大跨空间舱室内特定区域的空间布置需求,需设置大量上下偏心连接支柱。为建立此类结构的设计方法,需掌握大型邮轮上层建筑中偏心组合支柱结构的力学特性。运用非线性有限元方法,分析了圆钢-H型钢、圆钢-方钢、圆钢-圆钢三种典型偏心组合支柱结构的支柱偏心度及支柱节点构件对支柱极限承载能力的影响。发现圆钢-H型钢支柱适用于偏心度较大的支柱连接位置,支柱节点中上支柱垫板、加强筋板对极限承载力影响较大;圆钢-方钢支柱与圆钢-圆钢支柱适用于偏心度较小的支柱连接位置,支柱节点连接构件中下支柱垫板以及加强筋板对极限承载力影响较大。所得结论可为邮轮结构轻量化设计及安全性评估提供参考。

大型邮轮结构崩溃特性研究

文中以某大型邮轮为研究对象,采用高效高精度的理想结构单元法对按传统梁理论的剖面应力线性应力分布和实际的非线性分布以及是否考虑板格屈曲分别进行了结构逐次崩溃分析,全面把握邮轮结构崩溃特性和极限强度.

大型邮轮结构崩溃试验模型设计研究

大型邮轮设计有多层庞大丰满的上层建筑,这样上层建筑与主船体的相互作用与普通船舶有所不同,导致邮轮结构的逐次崩溃特性也有所不同.为正确获得大型邮轮结构极限强度.文中针对邮轮在总纵弯曲作用下的崩溃特性和极限强度,将线性畸变相似理论和非线性相似方法相结合设计邮轮结构崩溃试验模型,在屈曲和屈服阶段模拟实船结构.将试验模型揭示的崩溃特性和极限强度预报至实船,与实船非线性有限元分析结果进行对比,验证了模型设计方法的合理性、可靠性.

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。

均匀流下两柔性梁纵列行为变化研究

随着水下仿生柔性航行器的蓬勃发展,如何有效地开展集群组织、提升效能成为研究热点之一,特别是当柔性航行器编队遭遇外界环境变化时.基于此,开展流场作用下两个自推进柔性梁纵列行为变化的数值研究,探讨外部流场的影响规律,揭示集群纵列行为适应性和多变性机理.结果表明:横向流下柔性梁速度曲线变化周期增加1倍,幅值增大超过3倍,且出现了波峰、波谷幅值不等的非线性现象,新的纵列结构形成;纵向流对柔性梁运动具有线性影响,其推进速度在顺流/逆流时线性地增加/减少,变化值与流速大小一致,两柔性梁纵列结构与静水中保持一致.对流场细节进行分析可知,外部流场影响了尾流中涡的运动及融合,这是导致纵列聚集结构发生变化的原因.横向流下涡发生融合,对称涡结构被破坏,而纵向流下所有尾涡产生相同水平位移,其对称结构并不发生改变.此外,对比了流场下纵列两柔性梁的推进速度、功率和效率数据,发现最小功率、最大速度和效率并不出现在顺流工况,更大范围流场方向上柔性梁性能较静水中得到提升.以上得到的流场下纵列行为变化研究数据和机理可为水下仿生柔性航行器集群遭遇外部流场时主动选取航行策略提供支撑.

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.

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。

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。