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《上海交通大学》 2007年
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航行船舶的非线性水弹性理论与应用研究

田超  
【摘要】: 船舶在大浪中航行时,其运动和波浪载荷均呈现明显的非线性;航行中船舶所受到的载荷以及由此引起的结构变形和破坏实质上都是一个动态的过程,利用传统的将水动力学问题与结构力学问题分开处理的方法具有一定的局限性,而从流固耦合的角度,建立大浪中航行船舶的非线性水弹性分析方法,深入研究与揭示大浪中航行船舶的安全性,不仅具有理论上的合理性和创新性,而且具有重要的工程应用价值。 在过去的二十多年里,船舶水弹性力学理论和分析方法从二维发展到三维,从线性发展到非线性,并广泛应用到船舶与海洋工程中的流固耦合分析中,如大型船舶,高性能多体船和超大型浮体(VLFS)等的运动、载荷与结构响应评估等,逐渐发展成为一门具有广泛工程应用价值和发展潜力的新兴船舶力学学科分支。 本文在三维船舶水弹性力学领域里开展研究工作,首先着力于继承已有的三维线性船舶水弹性分析方法(Wu,1984;杜双兴,1996),并加以发展和完善,更为严格地考虑了航速与定常兴波流场对船舶水弹性响应的影响;然后在浮体二阶非线性水弹性理论(Wu,Maeda Kinoshita,1997)基础上,考虑航速和定常兴波流场的影响,并计及大角度刚体运动和瞬时湿表面变化对非线性波浪力的贡献,建立了大浪中航行船舶的三维非线性水弹性分析方法。完成的主要研究工作如下: (1)简要回顾船舶水弹性理论及相应数值分析方法的历史发展状况。并在Wu,Maeda Kinoshita(1997)的理论基础上,考虑波浪中航行浮体周围流场的一阶速度势及其一阶响应对二阶水动力的贡献,推导了大浪中航行船舶的广义二阶非线性水弹性理论,并给出了广义三维非线性水弹性运动方程中各二阶波浪作用力水动力系数的表达式。 (2)对耐波性分析中的定常流场处理方法进行了总结,提出了一种去奇虚拟源汇分布法,可以数值求解航行船体非均匀定常兴波流场速度势的高阶偏微分,以潜航椭球体为例进行了计算,经与理论解进行比较,对于没有尖角的光滑曲面,验证了该方法的有效性。另外,利用Kim(2005)给出的边界积分方法,当已知Havelock移动兴波源格林函数及其一阶偏微分量,也可求得定常航行船舶流场速度势的高价偏导数。 (3)考虑定常兴波流场的影响,发展了航行船舶的三维线性水弹性力学分析程序,并以潜航椭球体,水面上航行的可变形半椭球体和SWATH船型为例,探讨了定常兴波流场、叠模流场与均匀流场模型对水弹性响应计算结果的影响。 (4)考虑弹性船舶周围非均匀稳态兴波流场的影响,并计及瞬时湿表面变化与大角度刚体运动引起的非线性水动力,建立了大浪中航行船舶的三维二阶非线性水弹性力学分析方法与程序,并以不规则波中航行的小水线面双体船为例,给出了计及二阶波浪力作用下的航行船体的变形、应力等结果。 (5)基于线性和非线性水弹性分析方法,对波浪中零航速驻留及有航速航行的SWATH外载荷进行了理论预报,并与试验结果进行了比较。 本文的工作,使得采用统一的方法,同时预报大浪中航行船舶(含零航速浮体)的线性和非线性水弹性响应成为可能,不仅在数学上更为接近Bishop,Price Wu(1986)和Wu,Maeda Kinoshita(1997)的理论模型,而且在数值上较以前的工作(杜双兴,1996;陈徐均,2001)更为严密地考虑了航速的影响。本文的主要创新点是: (1)吸收已有的耐波性分析中定常流场处理方法,提出了一种去奇虚拟源汇分布法,能够数值求解航行船体三维非均匀定常兴波流场速度势的高阶偏微分量,对一潜航椭球体的算例表明,数值预报结果与理论解吻合一致; (2)首次在三维船舶线性水弹性分析中,考虑了定常兴波流场的影响,发展了航行船舶的三维线性水弹性力学分析程序(THAFTS),并利用移动脉动源格林函数,较严格地计及了航速对水弹性响应的影响; (3)首次建立了计及定常兴波流场影响的航行船舶的二阶非线性水弹性力学分析方法,可同时预报任意形状浮体的兴波流场、在大浪中的运动、结构动载荷与动应力,并首次给出了随机波浪中航行船舶的三维非线性水弹性响应的算例(Tian Wu,2006a); (4)首次将三维非线性水弹性理论应用于SWATH的实船计算,并系统分析了其阻力、运动、载荷、变形、应力等结果,得出的结论对高性能双体和多体船舶的工程设计和应用,具有一定的参考价值。 最后,本文发展的非线性水弹性分析方法也同样适用于常规船型,这对我国船舶检验部门发展基于全船直接载荷计算(DLA)的船体结构疲劳分析方法,也具有重要的现实意义。
【学位授予单位】:上海交通大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2007
【分类号】:U661.1

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【引证文献】
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2 叶永林;邹明松;周金华;吴有生;尤国红;;基于三维水弹性力学的浮体结构机械阻抗分析[J];中国造船;2011年01期
中国重要会议论文全文数据库 前1条
1 叶永林;邹明松;周金华;吴有生;尤国红;;基于三维水弹性力学的浮体结构机械阻抗分析[A];2011年中国造船工程学会优秀论文集[C];2012年
中国博士学位论文全文数据库 前1条
1 洪毅;高性能复合材料螺旋桨的结构设计及水弹性优化[D];哈尔滨工业大学;2011年
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1 赵南;船舶波浪载荷水弹性分析及对疲劳强度影响[D];哈尔滨工程大学;2011年
【参考文献】
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10 段文洋,汪玉;船舶兴波流场m_j求解的边界元计算方法[J];燕山大学学报;2004年02期
【共引文献】
中国期刊全文数据库 前10条
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中国重要会议论文全文数据库 前10条
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2 卢东强;许峰;;两层流体中水波与弹性薄板的相互作用[A];纪念顾懋祥院士海洋工程学术研讨会论文集[C];2011年
3 匡晓峰;缪泉明;杨烁;何再明;;新型TLP平台水动力性能研究[A];纪念顾懋祥院士海洋工程学术研讨会论文集[C];2011年
4 李裕龙;朱仁传;缪国平;范菊;陆志妹;;基于OpenFOAM的船舶与液舱流体晃荡在波浪中时域耦合运动的数值模拟[A];纪念顾懋祥院士海洋工程学术研讨会论文集[C];2011年
5 李刚强;谢永和;王伟;李磊;;滚装船整船结构数值计算研究[A];纪念徐秉汉院士船舶与海洋结构力学学术会议论文集[C];2011年
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7 王光钦;;关于弹性力学课程体系和内容的几点思考[A];海峡两岸力学教学—教学经验与教学改革交流会论文集[C];2002年
8 邢誉峰;钱志英;;简支平面问题模态函数的辛对偶直接解法[A];中国力学学会学术大会'2005论文摘要集(上)[C];2005年
9 唐友刚;李红霞;;随浪和尾斜浪中船舶横甩的非线性动力学特性[A];第十一届全国非线性振动学术会议暨第八届全国非线性动力学和运动稳定性学术会议论文集[C];2007年
10 吴有生;司马灿;刘建湖;;船舶结构耦合动力学问题[A];第九届全国振动理论及应用学术会议论文集[C];2007年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 李佳;载人潜器阻力性能的数值和试验预报及外形优化研究[D];哈尔滨工程大学;2010年
2 戴运桃;粒子群优化算法研究及其在船舶运动参数辨识中的应用[D];哈尔滨工程大学;2010年
3 沈海龙;船体与节能附体及螺旋桨的非定常干扰研究[D];哈尔滨工程大学;2009年
4 王超;螺旋桨水动力性能、空泡及噪声性能的数值预报研究[D];哈尔滨工程大学;2010年
5 解学参;吊舱推进器推进及空泡性能的数值模拟[D];哈尔滨工程大学;2009年
6 徐刚;不规则波中浮体二阶水动力时域数值模拟[D];哈尔滨工程大学;2010年
7 周广利;三体船型阻力预报、优化与系列性试验分析研究[D];哈尔滨工程大学;2010年
8 李辉;船舶波浪载荷的三维水弹性分析方法研究[D];哈尔滨工程大学;2009年
9 张大海;浮力摆式波浪能发电装置关键技术研究[D];浙江大学;2011年
10 董俊哲;基于Hamilton体系的非线性浅水波分析方法[D];大连理工大学;2011年
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1 刘亮;船舶能效设计中若干耐波性影响因素研究[D];哈尔滨工程大学;2010年
2 周斌;四桨两舵大型船舶螺旋桨的面元法设计研究[D];哈尔滨工程大学;2010年
3 黄俊;海上浮式风力发电机组载荷及结构性能研究[D];哈尔滨工程大学;2010年
4 李在鹏;半潜式海洋潮流电站系统性能研究[D];哈尔滨工程大学;2010年
5 马艳;导管螺旋桨的水动力性能分析与设计优化[D];哈尔滨工程大学;2010年
6 乔晓国;深水浮式结构动力定位能力动态分析[D];哈尔滨工程大学;2010年
7 郭宇;LNG船运动与载荷计算方法研究[D];哈尔滨工程大学;2010年
8 王伟飞;基于Rankine源法舰船有航速时域三维波浪载荷计算[D];哈尔滨工程大学;2010年
9 徐强;立体视觉测量及半潜平台模型试验研究[D];哈尔滨工程大学;2010年
10 张昊;半潜平台波浪绕射的三维时域计算[D];哈尔滨工程大学;2010年
【同被引文献】
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1 林吉如;超大型油船波激振动研究[J];船舶工程;1995年02期
2 戴愚志;余建星;;一种船体及周围自由面的网格自动生成方法[J];船舶工程;2006年05期
3 徐向东,张效慈,吴有生;船舶砰击动力屈曲[J];船舶力学;1997年02期
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6 田超;吴有生;;航行船舶的三维非线性水弹性分析[J];船舶力学;2007年01期
7 林哲,钟铁毅,赵德有,陈迪;船体总振动计算方法的研究[J];大连理工大学学报;1993年04期
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10 黄胜;王超;王诗洋;;不同湍流模型在螺旋桨水动力性能计算中的应用与比较[J];哈尔滨工程大学学报;2009年05期
中国重要会议论文全文数据库 前1条
1 汪雪良;胡嘉骏;顾学康;张凡;;超大型矿砂船波激振动及颤振研究[A];第四届全国船舶与海洋工程学术会议论文集[C];2009年
中国博士学位论文全文数据库 前8条
1 李辉;船舶波浪载荷的三维水弹性分析方法研究[D];哈尔滨工程大学;2009年
2 陈徐均;浮体二阶非线性水弹性力学分析方法[D];中国船舶科学研究中心;2001年
3 谭廷寿;非均匀流场中螺旋桨性能预报和理论设计研究[D];武汉理工大学;2003年
4 张海彬;FPSO储油轮与半潜式平台波浪载荷三维计算方法研究[D];哈尔滨工程大学;2004年
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6 冯国庆;船舶结构疲劳强度评估方法研究[D];哈尔滨工程大学;2006年
7 吕丽;玻璃纤维芯铅网(丝)增强橡胶阻尼复合材料性能研究[D];国防科学技术大学;2006年
8 赵存宝;超大型浮体结构水弹性问题研究[D];哈尔滨工业大学;2007年
【二级引证文献】
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1 叶永林;席亦农;尤国红;吴有生;邹明松;;小水线面双体船总振动计算与试验研究[J];中国造船;2011年04期
2 叶永林;倪其军;吴有生;;基于三维水弹性力学的船上设备激励力分析[J];中国造船;2012年04期
【二级参考文献】
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1 林吉如;超大型油船波激振动研究[J];船舶工程;1995年02期
2 徐向东,张效慈,吴有生;船舶砰击动力屈曲[J];船舶力学;1997年02期
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4 陈徐均,吴有生,崔维成,沈庆;海洋浮体二阶非线性水弹性力学分析—基本理论[J];船舶力学;2002年04期
5 陈徐均,吴有生,崔维成,孙芦忠;海洋浮体二阶非线性水弹性力学分析——系泊浮体主坐标响应的频率特征[J];船舶力学;2002年05期
6 陈徐均,吴有生,崔维成,陈云鹤;海洋浮体二阶非线性水弹性力学分析——二阶力对浮体振动时间响应的影响[J];船舶力学;2003年02期
7 陈徐均,崔维成,J.Juncher Jensen,汤雪峰;海洋浮体非线性水弹性力学分析——结构非线性的初步考虑[J];船舶力学;2003年05期
8 朱克强,任鸿,李维扬;外倾支柱式小水线面双体船结构的有限元分析[J];船舶;2001年06期
9 钟铁毅,林哲,赵德有;船体波激振动共振频率的计算方法[J];大连理工大学学报;1995年02期
10 钟铁毅,赵德有;波浪中船体振动固有频率及响应计算研究[J];大连理工大学学报;1998年04期
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1 陈徐均;浮体二阶非线性水弹性力学分析方法[D];中国船舶科学研究中心;2001年
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1 戴愚志;余建星;;几何独立的高阶面元法在波-流-物相互作用问题m_j项求解中的应用[J];水动力学研究与进展(A辑);2006年02期
2 吴有生;倪其军;谢伟;周沙亚;尤国红;田超;张焰;吴强;;一型小水线面双体船的水动力性能与结构设计(英文)[J];船舶力学;2008年03期
3 ;《中国造船》2005年总目录[J];中国造船;2005年04期
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10 廖铭声;小水线面双体船稳定装置[J];舰船科学技术;1981年07期
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7 范佘明;余滋红;杨素军;聂军;周兴邦;;小水线面双体船的耐波性模型试验方法研究[A];第九届全国水动力学学术会议暨第二十二届全国水动力学研讨会论文集[C];2009年
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10 肖雨濛;陶智勇;何维予;;水槽中的带隙孤子及其非线性响应[A];中国声学学会2007年青年学术会议论文集(上)[C];2007年
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1 周永峰;船界“新宠”小水线面双体船[N];中国水运报;2003年
2 特约记者 郑明;走近小水线面双体船[N];中国船舶报;2000年
3 实习记者 胡晓峰;七○二所中标设计新型科考船[N];中国船舶报;2004年
4 中科院声学研究所 常丽君 发强;揭秘科考船“实验1”号[N];北京日报;2009年
5 本报记者 常丽君;专家解读神秘的“实验1”号[N];科技日报;2009年
6 张海燕;中国造“不晕船”更趋完美[N];中国船舶报;2009年
7 晏燕;全海候不晕船“新世纪一号”首航[N];科技日报;2004年
8 特约记者 龚伟;国产“不晕船”达国际水平[N];中国船舶报;2010年
9 记者 李大庆;“实验1”号科考船交付使用[N];科技日报;2009年
10 张海燕;我国最先进新型科考船首航[N];无锡日报;2009年
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1 田超;航行船舶的非线性水弹性理论与应用研究[D];上海交通大学;2007年
2 刘日明;基于B样条面元法的浮体二阶水动力计算[D];哈尔滨工程大学;2009年
3 蔡昊鹏;基于面元法理论的船用螺旋桨设计方法研究[D];哈尔滨工程大学;2011年
4 胡健;螺旋桨空泡性能及低噪声螺旋桨设计研究[D];哈尔滨工程大学;2006年
5 郭春雨;螺旋桨与舵附推力鳍相互干扰水动力性能数值计算[D];哈尔滨工程大学;2007年
6 贡毅敏;全方向推进器的设计及其在潜艇上的应用研究[D];哈尔滨工程大学;2006年
7 胡安康;沪东(HD)型船舶螺旋桨的研究与开发[D];哈尔滨工程大学;2002年
8 吴辅兵;振动翼推进及干扰效应非定常流体动力研究[D];哈尔滨工程大学;2004年
9 马山;高速船舶运动与波浪载荷计算的二维半理论研究[D];哈尔滨工程大学;2005年
10 常欣;潜器全方向推进器的研究[D];哈尔滨工程大学;2005年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 吕振望;航海模拟器中小水线面双体船运动建模与仿真[D];大连海事大学;2010年
2 徐志亭;小水线面双体船结构疲劳分析及典型节点优化研究[D];上海交通大学;2012年
3 周斌;四桨两舵大型船舶螺旋桨的面元法设计研究[D];哈尔滨工程大学;2010年
4 邱悦;多体船连接桥的多轴疲劳分析[D];哈尔滨工程大学;2010年
5 黄毅;小水线面双体船噪声环境特性研究[D];哈尔滨工程大学;2011年
6 刘子洋;面元法预报导管桨水动力性能[D];武汉理工大学;2004年
7 黄国燕;超大型海上风电浮式平台的水弹性响应分析[D];华中科技大学;2011年
8 何海峰;高阶面元法预报螺旋桨水动力性能[D];武汉理工大学;2004年
9 郭俊;速度面元法预报螺旋桨水动力性能[D];武汉理工大学;2010年
10 马岭;基于NURBS面元法的船舶兴波问题数值计算研究[D];武汉理工大学;2002年
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