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三体船砰击载荷研究

作　者: 彭晟
导　师: 吴卫国
学　校: 武汉理工大学
专　业: 船舶与海洋结构物设计制造
关键词: 三体船砰击压力试验研究仿真研究连接桥主船体公式回归
分类号: U661.3
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

三体船凭借其较大的甲板面积和优良的航行性能,越来越受到国际造船界的重视。然而,三体船在高速航行过程中底部会多次出水和再入水,因此会受到严重的波浪砰击作用,且主船体入水溅射的波浪也会给三体船的连接桥造成严重的砰击,研究三体船砰击载荷具有重大意义。本文基于相似理论的基础上,采用实船舱段缩尺比模型在不同高度下的落水砰击试验的方法,分别测得三体船主体、连接桥和片体的砰击压力峰值,从而得出三体船砰击压力分布及其峰值与入水速度的关系,同时采用流固耦合非线性有限元的方法计算三体船砰击压力峰值及其分布,最终得到一个有效预报该三体船砰击载荷的方法。主要研究内容和结论如下：1、介绍了三体船砰击强度研究的背景和意义,对船体结构入水砰击的相关理论研究、试验研究和数值仿真研究进展做了介绍,掌握了三体船砰击载荷问题的研究现状。2、基于相似理论设计了满足三体船入水过程动力相似的比例模型入水试验,完成了钢制三体船比例模型加工和砰击载荷测试系统的调试工作,最后做了一系列高度下的三体船模型入水砰击试验。试验得到了三体船模型在不同冲击速度下入水砰击过程中主体和连接桥的砰击压力峰值和压力分布情况,并记录了落水砰击全过程。根据实验结果,得到以下结论：a)根据试验测得压力峰值与入水速度值进行回归分析,得到了三体船主船体和连接桥的砰击压力峰值预报公式,砰击压力峰值与入水砰击速度的平方成正比；将空气垫、飞溅等非线性因素的影响归结到系数k中,其值随着速度的增加成二次指数递减趋势；b)主体和连接桥处的砰击压力随着入水速度的增大而增大,主体部分的砰击压力要大于连接桥部分；c)主体部分砰击压力最大值出现在主体底部距中纵剖面109mm(B/5)处；连接桥部分砰击压力最大值出现在连接桥距主船体舷侧向外284mm(5b/8)处；3、对入水砰击过程使用的数值仿真基本理论和关键技术进行了研究,掌握了流固耦合计算的Lagrange格式、Euler格式和ALE格式各自特点和适用范围。采用了一般耦合算法求解砰击载荷问题,叙述了其欧拉格式的基本控制方程、离散方法、算法流程和时间积分特点。明确了仿真计算中使用的流体材料和结构材料物理参数和本构关系,确定了船舶入水砰击计算的边界条件和初始条件,有效的解决了MSC.DYTRAN软件在砰击仿真研究上的应用问题。4、采用数值仿真方法研究了三体船主船体砰击载荷问题,得到一些有意义的结论：a)在用非线性有限元软件MSC.DYTRAN系列仿真计算了三体船比例模型入水砰击压力的基础上,与试验对比,证明了用MSC.DYTRAN进行结构入水问题仿真计算的正确性和有效性,并根据试验结果对仿真进行了修正,确定了相关系数的取值；b)对不同入水速度的三体船入水砰过程进行了仿真研究,回归了三体船主体和连接桥部分的砰击压力峰值的计算公式,砰击压力与入水速度的平方成正比；其他非线性影响因素归结到影响因子k中,k值随着入水速度增加呈二次指数递减,在低速段减小较快,而速度较高时减小较慢；连接桥砰击压力峰值出现在距主体舷侧外板5b/8处,次大值出现在7b/8处；c)在满足动力相似的情况下,三体船实船和比例模型的仿真结果验证了利用相似理论推导的砰击载荷相似比例关系,即实船入水速度和模型入水速度满足VS=Vm(?)的关系,那么实船与模型船的砰击外载荷满足如下关系：CP=Cp,CV2=CL,即PS/Pm=CL=6,两者的误差在20%内,可以为实际工程应用提供参考；d)在预报的砰击载荷下,三体船连接桥强度满足设计及使用要求。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-11
第1章绪论  11-28
  1.1 立题背景  11-13
  1.2 研究意义  13-14
  1.3 船体结构入水砰击载荷国内外研究现状  14-26
    1.3.1 船体入水砰击载荷研究现状  14-17
    1.3.2 船体入水砰击载荷试验研究现状  17-24
    1.3.3 砰击载荷数值仿真国内外研究现状  24-26
  1.4 本文的主要研究工作  26-28
第2章三体船入水砰击载荷试验研究  28-54
  2.1 试验目的  28
  2.2 试验原理和流程  28-29
  2.3 试验装置  29-30
  2.4 试验模型设计  30-37
    2.4.1 结构模型设计中的相似理论概述  30-31
    2.4.2 模型设计的相似分析  31-34
    2.4.3 结构模型设计  34-37
  2.5 试验仪器  37-40
  2.6 试验方案  40-53
    2.6.1 试验过程  40-41
    2.6.2 试验结果  41-53
  2.7 试验总结  53-54
第3章砰击载荷数值模拟基本理论  54-73
  3.1 DYTRAN简介  54
  3.2 DYTRAN分析方法  54-72
    3.2.1 拉格朗日求解器  55-57
    3.2.2 欧拉求解器  57-67
    3.2.3 拉格朗日—欧拉耦合  67-69
    3.2.4 材料特性  69-70
    3.2.5 边界条件与初始条件  70-72
  3.3 本章小结  72-73
第4章三体船入水砰击载荷仿真研究  73-91
  4.1 二因次比例模型入水仿真验证  73-83
    4.1.1 计算模型  73-75
    4.1.2 三体船比例模型入水仿真研究  75-77
    4.1.3 砰击压力峰值及其公式回归  77-82
    4.1.4 比例模型仿真分析小结  82-83
  4.2 三体船实船砰击载荷仿真研究  83-89
    4.2.1 砰击载荷的确定  83-86
    4.2.2 实船动力响应分析  86-89
  4.3 总结  89-91
第5章总结与展望  91-94
  5.1 论文的结论  91-92
  5.2 论文的创新点  92-93
  5.3 研究工作展望  93-94
参考文献  94-98
致谢  98-99
攻读硕士学位期间发表的论文及参与的科研项目  99

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