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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。


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