甲板上浪冲击载荷预报方法研究

摘要

海上浮式结构在恶劣海况中极易发生甲板上浪现象，严重的甲板上浪情况甚至对甲板及甲板以上结构物造成破坏，对海上浮式结构的安全产生威胁。甲板上浪问题的严重性对甲板及甲板以上结构的抗冲击设计及冲击载荷作用下的结构强度提出了更高的要求，而进行这些工作的关键和基础是准确的对甲板及以上结构物受到的冲击载荷进行预报。因甲板上浪现象而产生的水体溅射、冲击、漩涡等强非线性因素对上浪冲击载荷具有显著影响，这给理论研究带来很大挑战;同时，目前存在的对于研究甲板上浪问题的数值方法及试验手段均存在一定的弊端;另外，对于上浪冲击载荷及由上浪冲击载荷引起的结构强度问题的规范解决方法还有待完善。急需一种新的行之有效的甲板上浪冲击载荷的预报方法。基于以上情况，本文主要进行以下方面的研究: (1)研究了船舶的甲板上浪冲击载荷数值预报方法。为保证计算结果的可靠性，进行了数值波浪水池的空域造波消波验证及简单浮式结构的上浪冲击算例验证，取得了良好的效果。以21KTEU集装箱船为研究对象，使用CFD数值仿真方法对船舶甲板上浪问题进行研究，分析上浪水体在甲板上的流动机制，并对甲板以及挡浪板处的冲击载荷进行计算及分析。 (2)研究了基于溃坝模型的甲板上浪冲击载荷的试验预报方法。以溃坝模型为依据找到了一种以水槽为主体的流动冲击试验方法。以势流方法得到的船首甲板上浪高度作为输入参数进行试验。通过试验，研究了流动式甲板上浪现象中上浪水体在甲板上的流动以及冲击到模型表面后的水体演化过程;研究了流动冲击过程中，甲板以及试验模型表面的压力分布规律以及不同上浪高度与冲击速度下的冲击载荷的变化规律。 (3)研究了基于溃坝模型的甲板上浪冲击载荷数值预报方法。首先对溃坝流动过程进行仿真，将得到的载荷结果与以发表的结果进行对比，验证所用方法及计算结果的可靠性。采用三维方法，模拟有模型阻挡的情况下的流动式甲板上浪冲击演化过程，对甲板及模型表面的压力进行预报，与试验结果进行对比，验证仿真方法的可靠性。 (4)分析了上浪冲击载荷作用下的船艏结构强度。以21KTEU集装箱船为例，使用静力等效方法与瞬态动力分析方法对甲板及挡浪板的结构强度进行校核，分析了两种方法校核结果的相关性与差异性。

目录

声明

摘要

第1章绪论

1．1研究背景及意义

1．2国内外研究现状

1．3本文的研究工作

第2章船舶甲板上浪冲击载荷数值方法研究

2．1概述

2．2基于CFD方法的甲板上浪冲击载荷预报方法研究

2．2．1 CFD方法基本原理

2．2．2波浪场的数值模拟

2．2．3浮体上浪冲击方法验证

2．3 21KTEU集装箱船甲板上浪冲击载荷计算分析

2．3．1 21KTEU集装箱船甲板上浪冲击计算模型

2．3．2 21KTEU甲板上浪结果分析

2．4本章小结

第3章基于溃坝模型的甲板上浪冲击载荷试验方法研究

3．1概述

3．2基于势流理论的甲板上浪高度计算

3．2．1势流理论计算相对运动

3．2．2计算参数

3．2．3计算结果分析

3．3试验模型及装置

3．3．1试验物理模型

3．3．2试验装置

3．3．3试验仪器

3．4试验原理及流程

3．5试验工况

3．6试验数据处理

3．6．1试验数据处理方法

3．6．2试验数据处理内容

3．7试验结果分析

3．7．1水体演化情况

3．7．2稳定性验证

3．7．3 冲击载荷沿物面的分布规律

3．7．4上浪高度对冲击压力的影响

3．8本章小结

第4章基于溃坝模型的甲板上浪冲击载荷数值方法研究

4．1概述

4．2基于CFD方法的溃坝流动仿真验证

4．2．1溃坝流动模型

4．2．2计算结果分析

4．3基于CFD方法的溃坝流动冲击载荷计算分析

4．3．1流动冲击模型

4．3．2水流演化及冲击过程仿真结果

4．4基于溃坝理论的船舶甲板上浪载荷计算分析

4．4．1溃坝理论介绍

4．4．2上浪载荷计算

4．5结果对比分析

4．5．1与试验值对比分析

4．5．2 与试验值及21KTEU数值仿真结果对比分析

4．6本章小结

第5章上浪冲击载荷作用下的船艏结构强度评估

5．1概述

5．2静力学响应分析

5．3瞬态动力学响应分析

5．4强度校核衡准

5．5计算模型

5．6计算结果分析

5．6．1静力响应分析

5．6．2瞬态动力响应分析

5．7本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢