海洋結構物入水砰擊載荷與響應研究.pdf

1、21世紀人類進入海洋經(jīng)濟時代。隨著工業(yè)技術的發(fā)展和海洋資源開發(fā)的需要，各種新型船舶和海洋結構物不斷出現(xiàn)，而且越來越多地涉及流固耦合作用，其中海洋結構物入水是該類問題中非常復雜，并具有實際意義的課題之一。 當代的船舶向高速化、大型化發(fā)展，出現(xiàn)砰擊與上浪等現(xiàn)象的概率越來越高。在設計中如何合理的確定這類非線性載荷對船體強度的影響成為已一個迫切需要解決的重要課題。本文采用數(shù)值仿真方法，研究了海洋結構物入水砰擊的載荷與響應問題，研究的主要

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

3、度控制，獲得了結構物入水砰擊仿真計算優(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用問題。 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構的入水壓力峰值預報公式；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)()的關系，獲得了結構物非等速入水砰擊壓力峰值的計算公式，推導出了平底()水砰擊力的實用計算方法。 ()方真方法，研究了平底結構入水瞬間空氣層內(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)有理論和試驗研究無法考察入水瞬間空氣層的物理特性的問題。結果表明：結構入水瞬間，空氣層受結構和水的快速擠壓作用密度迅速增大；熱量來不及迅速傳遞出去，外界對氣體所做的功轉化為氣體的內(nèi)能，使氣體的溫度升高；而且發(fā)現(xiàn)了飛濺效應發(fā)生在壓力峰值以后，對砰擊壓力的影響很小的結論。 5.在全流場范圍內(nèi)考慮空氣和重力等因素的影響，研究了二維剛性楔形結構物的入水問題，分析了楔形結構物入水過程中液面升高和噴射區(qū)根部的特點，

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構入水壓力相似，完全可以用平底結構入水砰擊壓力公式進行預報；(b)具有圓舭部區(qū)域入水角度較大，空氣迅速逃逸，砰擊壓力遠遠小于平底結構；(c).采用“U”型剖面船體形狀，底部中龍骨處應予以適當加強；(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遠小于“U”型剖面。 6.采用流固耦合

6、的方法，有效地計算各類復雜結構物的入水砰擊響應問題。研究指出：準靜態(tài)法無法考慮外板板格支撐結構的砰擊響應，特別是無法研究整體結構的砰擊響應。作者通過實船船底板架和球鼻艏整體入水的仿真研究發(fā)現(xiàn)：(a).船底桁材和實肋板上的應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構上，板架整體承受砰擊載荷的作用；(b).船底外板與支撐結構應力成分不同，外板以正應力為主，而船底桁材和肋板上的剪力與正應力相當，因此其等效合成應力亦較大；