海洋結(jié)構(gòu)物入水砰擊載荷與響應(yīng)研究.pdf

1、21世紀(jì)人類進(jìn)入海洋經(jīng)濟(jì)時(shí)代。隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展和海洋資源開發(fā)的需要，各種新型船舶和海洋結(jié)構(gòu)物不斷出現(xiàn)，而且越來(lái)越多地涉及流固耦合作用，其中海洋結(jié)構(gòu)物入水是該類問(wèn)題中非常復(fù)雜，并具有實(shí)際意義的課題之一。 當(dāng)代的船舶向高速化、大型化發(fā)展，出現(xiàn)砰擊與上浪等現(xiàn)象的概率越來(lái)越高。在設(shè)計(jì)中如何合理的確定這類非線性載荷對(duì)船體強(qiáng)度的影響成為已一個(gè)迫切需要解決的重要課題。本文采用數(shù)值仿真方法，研究了海洋結(jié)構(gòu)物入水砰擊的載荷與響應(yīng)問(wèn)題，研究的主要

2、內(nèi)容和結(jié)論如下： 1.對(duì)國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)物入水砰擊理論進(jìn)行了消化、吸收，重點(diǎn)介紹了二維楔形體自相似理論(self-similarity)、平底結(jié)構(gòu)空氣墊理論及三維鈍體結(jié)構(gòu)入水的“反問(wèn)題”方法，研究并分析了各種理論的適用范圍與存在的問(wèn)題，對(duì)結(jié)構(gòu)入水理論所涉及的問(wèn)題作了有益的討論。 2.研究了結(jié)構(gòu)入水砰擊仿真的基本理論和關(guān)鍵技術(shù)，提出了無(wú)反射邊界條件、流場(chǎng)初始條件等在數(shù)值仿真中的解決方法；研究了數(shù)值仿真計(jì)算模型的網(wǎng)格尺寸與精

3、度控制，獲得了結(jié)構(gòu)物入水砰擊仿真計(jì)算優(yōu)化的網(wǎng)格尺度，有成效地解決了通用軟件難以在入水砰擊研究上的應(yīng)用問(wèn)題。 3.將入水速度的范圍拓展至中速和高速的情況，并修正了二維平底剛性結(jié)構(gòu)的入水壓力峰值預(yù)報(bào)公式；提出砰擊壓力峰值的質(zhì)量修正系數(shù)km，研究了該系數(shù)與質(zhì)量系數(shù)()的關(guān)系，獲得了結(jié)構(gòu)物非等速入水砰擊壓力峰值的計(jì)算公式，推導(dǎo)出了平底()水砰擊力的實(shí)用計(jì)算方法。 ()方真方法，研究了平底結(jié)構(gòu)入水瞬間空氣層內(nèi)各物理量的特性和空氣層

4、與水面的混合情況，解決了現(xiàn)有理論和試驗(yàn)研究無(wú)法考察入水瞬間空氣層的物理特性的問(wèn)題。結(jié)果表明：結(jié)構(gòu)入水瞬間，空氣層受結(jié)構(gòu)和水的快速擠壓作用密度迅速增大；熱量來(lái)不及迅速傳遞出去，外界對(duì)氣體所做的功轉(zhuǎn)化為氣體的內(nèi)能，使氣體的溫度升高；而且發(fā)現(xiàn)了飛濺效應(yīng)發(fā)生在壓力峰值以后，對(duì)砰擊壓力的影響很小的結(jié)論。 5.在全流場(chǎng)范圍內(nèi)考慮空氣和重力等因素的影響，研究了二維剛性楔形結(jié)構(gòu)物的入水問(wèn)題，分析了楔形結(jié)構(gòu)物入水過(guò)程中液面升高和噴射區(qū)根部的特點(diǎn)，

5、提高了精度；研究指出：二維“U”型剖面和球鼻船首的入水砰擊(a).“U”型剖面的船體底部區(qū)域較為平坦，入水砰擊壓力幾乎與平底結(jié)構(gòu)入水壓力相似，完全可以用平底結(jié)構(gòu)入水砰擊壓力公式進(jìn)行預(yù)報(bào)；(b)具有圓舭部區(qū)域入水角度較大，空氣迅速逃逸，砰擊壓力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于平底結(jié)構(gòu)；(c).采用“U”型剖面船體形狀，底部中龍骨處應(yīng)予以適當(dāng)加強(qiáng)；(d).球鼻船艏的橫向剖面曲率較大，入水角迅速變化，中龍骨處的砰擊壓力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于“U”型剖面。 6.采用流固耦合

6、的方法，有效地計(jì)算各類復(fù)雜結(jié)構(gòu)物的入水砰擊響應(yīng)問(wèn)題。研究指出：準(zhǔn)靜態(tài)法無(wú)法考慮外板板格支撐結(jié)構(gòu)的砰擊響應(yīng)，特別是無(wú)法研究整體結(jié)構(gòu)的砰擊響應(yīng)。作者通過(guò)實(shí)船船底板架和球鼻艏整體入水的仿真研究發(fā)現(xiàn)：(a).船底桁材和實(shí)肋板上的應(yīng)力水平均高于外板一倍左右，而且船底外板將砰擊載荷傳遞至相連的結(jié)構(gòu)上，板架整體承受砰擊載荷的作用；(b).船底外板與支撐結(jié)構(gòu)應(yīng)力成分不同，外板以正應(yīng)力為主，而船底桁材和肋板上的剪力與正應(yīng)力相當(dāng)，因此其等效合成應(yīng)力亦較大；