航行船舶的非線性水彈性理論與應(yīng)用研究.pdf

1、船舶在大浪中航行時(shí)，其運(yùn)動和波浪載荷均呈現(xiàn)明顯的非線性；航行中船舶所受到的載荷以及由此引起的結(jié)構(gòu)變形和破壞實(shí)質(zhì)上都是一個(gè)動態(tài)的過程，利用傳統(tǒng)的將水動力學(xué)問題與結(jié)構(gòu)力學(xué)問題分開處理的方法具有一定的局限性，而從流固耦合的角度，建立大浪中航行船舶的非線性水彈性分析方法，深入研究與揭示大浪中航行船舶的安全性，不僅具有理論上的合理性和創(chuàng)新性，而且具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值。 在過去的二十多年里，船舶水彈性力學(xué)理論和分析方法從二維發(fā)展到三維，從

2、線性發(fā)展到非線性，并廣泛應(yīng)用到船舶與海洋工程中的流固耦合分析中，如大型船舶，高性能多體船和超大型浮體(VLFS)等的運(yùn)動、載荷與結(jié)構(gòu)響應(yīng)評估等，逐漸發(fā)展成為一門具有廣泛工程應(yīng)用價(jià)值和發(fā)展?jié)摿Φ男屡d船舶力學(xué)學(xué)科分支。 本文在三維船舶水彈性力學(xué)領(lǐng)域里開展研究工作，首先著力于繼承已有的三維線性船舶水彈性分析方法(Wu，1984；杜雙興，1996)，并加以發(fā)展和完善，更為嚴(yán)格地考慮了航速與定常興波流場對船舶水彈性響應(yīng)的影響；然后在浮體二

3、階非線性水彈性理論(Wu，Maeda&Kinoshita，1997)基礎(chǔ)上，考慮航速和定常興波流場的影響，并計(jì)及大角度剛體運(yùn)動和瞬時(shí)濕表面變化對非線性波浪力的貢獻(xiàn)，建立了大浪中航行船舶的三維非線性水彈性分析方法。完成的主要研究工作如下： (1)簡要回顧船舶水彈性理論及相應(yīng)數(shù)值分析方法的歷史發(fā)展?fàn)顩r。并在Wu，Maeda & Kinoshita(1997)的理論基礎(chǔ)上，考慮波浪中航行浮體周圍流場的一階速度勢及其一階響應(yīng)對二階水動力

4、的貢獻(xiàn)，推導(dǎo)了大浪中航行船舶的廣義二階非線性水彈性理論，并給出了廣義三維非線性水彈性運(yùn)動方程中各二階波浪作用力水動力系數(shù)的表達(dá)式。 (2)對耐波性分析中的定常流場處理方法進(jìn)行了總結(jié)，提出了一種去奇虛擬源匯分布法，可以數(shù)值求解航行船體非均勻定常興波流場速度勢的高階偏微分，以潛航橢球體為例進(jìn)行了計(jì)算，經(jīng)與理論解進(jìn)行比較，對于沒有尖角的光滑曲面，驗(yàn)證了該方法的有效性。另外，利用Kim(2005)給出的邊界積分方法，當(dāng)已知Haveloc

5、k移動興波源格林函數(shù)及其一階偏微分量，也可求得定常航行船舶流場速度勢的高價(jià)偏導(dǎo)數(shù)。 (3)考慮定常興波流場的影響，發(fā)展了航行船舶的三維線性水彈性力學(xué)分析程序，并以潛航橢球體，水面上航行的可變形半橢球體和SWATH船型為例，探討了定常興波流場、疊模流場與均勻流場模型對水彈性響應(yīng)計(jì)算結(jié)果的影響。 (4)考慮彈性船舶周圍非均勻穩(wěn)態(tài)興波流場的影響，并計(jì)及瞬時(shí)濕表面變化與大角度剛體運(yùn)動引起的非線性水動力，建立了大浪中航行船舶的三維

6、二階非線性水彈性力學(xué)分析方法與程序，并以不規(guī)則波中航行的小水線面雙體船為例，給出了計(jì)及二階波浪力作用下的航行船體的變形、應(yīng)力等結(jié)果。 (5)基于線性和非線性水彈性分析方法，對波浪中零航速駐留及有航速航行的SWATH外載荷進(jìn)行了理論預(yù)報(bào)，并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比較。 本文的工作，使得采用統(tǒng)一的方法，同時(shí)預(yù)報(bào)大浪中航行船舶(含零航速浮體)的線性和非線性水彈性響應(yīng)成為可能，不僅在數(shù)學(xué)上更為接近Bishop，Price & Wu(1

7、986)和Wu，Maeda & Kinoshita(1997)的理論模型，而且在數(shù)值上較以前的工作更為嚴(yán)密地考慮了航速的影響。 本文的主要創(chuàng)新點(diǎn)是： (1)吸收已有的耐波性分析中定常流場處理方法，提出了一種去奇虛擬源匯分布法，能夠數(shù)值求解航行船體三維非均勻定常興波流場速度勢的高階偏微分量，對一潛航橢球體的算例表明，數(shù)值預(yù)報(bào)結(jié)果與理論解吻合一致； (2)首次在三維船舶線性水彈性分析中，考慮了定常興波流場的影響，發(fā)展

8、了航行船舶的三維線性水彈性力學(xué)分析程序(THAFTS)，并利用移動脈動源格林函數(shù)，較嚴(yán)格地計(jì)及了航速對水彈性響應(yīng)的影響； (3)首次建立了計(jì)及定常興波流場影響的航行船舶的二階非線性水彈性力學(xué)分析方法，可同時(shí)預(yù)報(bào)任意形狀浮體的興波流場、在大浪中的運(yùn)動、結(jié)構(gòu)動載荷與動應(yīng)力，并首次給出了隨機(jī)波浪中航行船舶的三維非線性水彈性響應(yīng)的算例(Tian & Wu，2006a)； (4)首次將三維非線性水彈性理論應(yīng)用于SWATH的實(shí)船計(jì)算