【摘要】：船舶在航行過程中會產(chǎn)生劇烈的搖蕩運(yùn)動,造成波浪和船體之間發(fā)生的劇烈沖擊現(xiàn)象稱為砰擊。波浪砰擊過程涉及波浪強(qiáng)非線性、瞬時效應(yīng)的物理特性,也涉及水彈性效應(yīng)以及流固耦合等復(fù)雜的分析技術(shù),一直是海洋工程領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)課題之一。為了避免砰擊載荷對船體結(jié)構(gòu)的損傷,提高船體結(jié)構(gòu)安全性,需要在船舶設(shè)計過程中,考慮砰擊載荷的影響。本文以工信部高技術(shù)船舶課題為背景,使用基于CFD求解器的STAR-CCM+(STAR)與有限元軟件Abaqus進(jìn)行交互耦合計算,建立考慮結(jié)構(gòu)變形效應(yīng)的波浪砰擊數(shù)值模型。以簡化結(jié)構(gòu)的入水過程為研究對象,設(shè)計開展了模型實(shí)驗(yàn)及相關(guān)數(shù)值仿真分析,通過兩者的對比驗(yàn)證數(shù)值模型的可靠性。在此基礎(chǔ)上,對船體模型在實(shí)驗(yàn)水池的砰擊現(xiàn)象進(jìn)行數(shù)值仿真,并和文獻(xiàn)的垂向砰擊載荷進(jìn)行對比,驗(yàn)證波浪砰擊耦合響應(yīng)數(shù)值模型的有效性。最后,針對大型油船的波浪砰擊耦合響應(yīng)進(jìn)行研究,分析船體在不同工況場景下的砰擊現(xiàn)象,討論結(jié)構(gòu)砰擊載荷特性及結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變分布特性,為全船結(jié)構(gòu)的砰擊耦合響應(yīng)分析提供了依據(jù)。本文主要研究內(nèi)容如下:(1)介紹了有限體積方法、VOF模型、有限單元法和結(jié)構(gòu)剛性響應(yīng)基本理論,并給出了基于VOF法的波浪的數(shù)值模擬技術(shù)和STAR與Abaqus的協(xié)同耦合理論,在此基礎(chǔ)上建立波浪砰擊載荷下船體結(jié)構(gòu)耦合響應(yīng)數(shù)值模型,其中包括規(guī)則波的數(shù)值模擬、結(jié)構(gòu)波浪耦合響應(yīng)特性效應(yīng)及船舶航速和波浪參量等的參數(shù)化影響等。(2)設(shè)計開展了簡化結(jié)構(gòu)自由入水砰擊實(shí)驗(yàn),分析了楔形體底部斜升角對砰擊壓力的影響規(guī)律;利用STAR與Abaqus耦合方法對實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行數(shù)值仿真,并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比,驗(yàn)證了數(shù)值模型在入水砰擊計算方面的有效性,并分析了不同參數(shù)下結(jié)構(gòu)砰擊載荷和結(jié)構(gòu)變形的影響規(guī)律。(3)以公開發(fā)表的波浪水池中船體模型的砰擊實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ),分別開展波浪場景下船體無航速和有航速的砰擊現(xiàn)象的數(shù)值分析,與實(shí)驗(yàn)測得的模型垂向力進(jìn)行對比,驗(yàn)證了砰擊載荷預(yù)報方法的有效性。此外,針對實(shí)驗(yàn)工況下自由液面形態(tài)變化、載荷分布特征和船模結(jié)構(gòu)砰擊響應(yīng)進(jìn)行分析,為船體結(jié)構(gòu)砰擊載荷的設(shè)計提供依據(jù)。(4)以一艘鋼制油船為研究對象,依據(jù)建立的砰擊場景下結(jié)構(gòu)耦合響應(yīng)的數(shù)值仿真技術(shù),對其進(jìn)行波浪海況下的砰擊響應(yīng)仿真分析。對比分析了不同航速下的砰擊載荷、砰擊現(xiàn)象和結(jié)構(gòu)響應(yīng),詳細(xì)討論了船體結(jié)構(gòu)響應(yīng)特性,具體包括船體運(yùn)動特性和結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布,為波浪砰擊載荷下實(shí)船的動態(tài)耦合響應(yīng)分析提供依據(jù)。
【學(xué)位授予單位】：江蘇科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：U661.4

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本文編號：2728926