基于VOF法的波浪砰击载荷下大型船体结构耦合响应研究

摘要

船舶在航行过程中会产生剧烈的摇荡运动，造成波浪和船体之间发生的剧烈冲击现象称为砰击。波浪砰击过程涉及波浪强非线性、瞬时效应的物理特性，也涉及水弹性效应以及流固耦合等复杂的分析技术，一直是海洋工程领域研究的热点课题之一。为了避免砰击载荷对船体结构的损伤，提高船体结构安全性，需要在船舶设计过程中，考虑砰击载荷的影响。 本文以工信部高技术船舶课题为背景，使用基于CFD求解器的STAR-CCM+（STAR）与有限元软件Abaqus进行交互耦合计算，建立考虑结构变形效应的波浪砰击数值模型。以简化结构的入水过程为研究对象，设计开展了模型实验及相关数值仿真分析，通过两者的对比验证数值模型的可靠性。在此基础上，对船体模型在实验水池的砰击现象进行数值仿真，并和文献的垂向砰击载荷进行对比，验证波浪砰击耦合响应数值模型的有效性。最后，针对大型油船的波浪砰击耦合响应进行研究，分析船体在不同工况场景下的砰击现象，讨论结构砰击载荷特性及结构应力应变分布特性，为全船结构的砰击耦合响应分析提供了依据。本文主要研究内容如下： （1）介绍了有限体积方法、VOF模型、有限单元法和结构刚性响应基本理论，并给出了基于VOF法的波浪的数值模拟技术和STAR与Abaqus的协同耦合理论，在此基础上建立波浪砰击载荷下船体结构耦合响应数值模型，其中包括规则波的数值模拟、结构波浪耦合响应特性效应及船舶航速和波浪参量等的参数化影响等。 （2）设计开展了简化结构自由入水砰击实验，分析了楔形体底部斜升角对砰击压力的影响规律；利用STAR与Abaqus耦合方法对实验模型进行数值仿真，并与实验结果进行对比，验证了数值模型在入水砰击计算方面的有效性，并分析了不同参数下结构砰击载荷和结构变形的影响规律。 （3）以公开发表的波浪水池中船体模型的砰击实验为基础，分别开展波浪场景下船体无航速和有航速的砰击现象的数值分析，与实验测得的模型垂向力进行对比，验证了砰击载荷预报方法的有效性。此外，针对实验工况下自由液面形态变化、载荷分布特征和船模结构砰击响应进行分析，为船体结构砰击载荷的设计提供依据。 （4）以一艘钢制油船为研究对象，依据建立的砰击场景下结构耦合响应的数值仿真技术，对其进行波浪海况下的砰击响应仿真分析。对比分析了不同航速下的砰击载荷、砰击现象和结构响应，详细讨论了船体结构响应特性，具体包括船体运动特性和结构应力分布，为波浪砰击载荷下实船的动态耦合响应分析提供依据。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 砰击问题国内外研究进展

1.2.1 理论研究

1.2.2 试验研究

1.2.3 数值计算

1.3 本文主要研究内容和创新点

1.3.1 主要内容

1.3.2 创新点

第2章 砰击理论及数值仿真方法

2.1 引言

2.2 二维楔形体入水砰击经典解析理论

2.3 波浪砰击的流固耦合仿真技术

2.3.1 流体控制方程

2.3.2 结构响应方程

2.3.3 流体体积（VOF）

2.3.4 结构砰击响应的协同耦合技术

2.4 本章小结

第3章 弹性楔形体入水砰击的实验和数值研究

3.1 引言

3.2 实验验证

3.2.1 实验模型

3.2.2 实验装备及测点分布

3.2.3 实验结果与分析

3.3 计算模型及设置

3.3.1 计算模型

3.3.2 网格划分及时间步设置

3.3.3 弹性耦合设置

3.3.4 与实验结果的对比验证

3.4 计算结果分析

3.4.1 自由液面的变化

3.4.2 垂向砰击力对比

3.4.3 弹性对结构响应的影响

3.4.4 结构应力

3.5 本章小结

第4章 船体模型波浪砰击载荷及结构响应

4.1 引言

4.2 模型设置

4.2.1 模型尺寸及水域设置

4.2.2 一阶VOF波模拟

4.3 实验验证

4.4 模型船体砰击压力

4.4.1 砰击时刻自由液面形态和模型压力云图

4.4.2 测点砰击压力和速度对比曲线

4.5 船体结构响应

4.5.1 结构应力应变云图

4.5.2 结构应力曲线

4.6 本章小结

第5章 大型船舶在波浪运动中的砰击现象

5.1 引言

5.2 实船模型及水域设置

5.2.1 实船模型及网格划分

5.2.2 测点分布

5.2.3 结构变形设置及波浪设置

5.3 船体砰击载荷

5.3.1 船首砰击

5.3.2 船尾砰击

5.4 船体结构响应

5.5 本章小结

总结与展望

1 本文的主要研究工作及结论

2 进一步的研究工作展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文

致谢