江海直達船砰擊和波激振動研究.pdf

1、受限于航道水深和跨江橋梁高度的限制，寬扁肥大船型成為江海直達標準化設計的首選船型。為了提升載貨量和載運效率，設計了一種超規(guī)范（B/D>2.5）的淺吃水寬扁肥大船型。這種寬扁肥大、大開口的船體形式對于結構的剛度和強度都是非常不利的，由江入海航行后會面臨嚴重非線性波浪載荷問題，如砰擊和波激振動。較大的砰擊載荷不僅會造成局部結構的損傷，還會引起船體的鞭擊振動，再加上非線性波激振動的影響，可能會引起結構產生嚴重的強度和疲勞損傷。因而，在設計淺吃

2、水寬扁肥大江海直達新船型中，有效合理地確定其局部砰擊載荷和非線性波浪載荷對船體結構強度的影響成為了一個亟待解決的重要課題。本研究主要內容包括：
　　⑴提出了一種新型的三維復雜結構入水砰擊試驗的測試方法，并對典型寬扁肥大型江海直達船艏部結構進行了不同入水角度、不同速度等工況下的砰擊載荷試驗，得到了艏部底部及外飄砰擊壓力峰值和分布特性，并發(fā)現(xiàn)了小角度(α<5°)砰擊時的空氣墊和空化效應現(xiàn)象及其對砰擊壓力的影響，最后回歸了寬扁肥大船型底

3、部砰擊壓力預報公式。
　　⑵考慮入水砰擊過程中結構彈性的影響，結合江海直達船艏部型線特點，設計了有代表性（45°底部攻角）的不同剛度楔形體模型，進行了一系列不同高度下的自由落水試驗，得到了楔形體結構在砰擊瞬態(tài)載荷作用下的響應特性和分布特點，掌握了結構彈性效應對砰擊壓力峰值、分布及其持續(xù)時間的影響規(guī)律。
　?、顷U述了結構入水砰擊數(shù)值仿真的基本理論和關鍵應用技術，包括基于ALE法的非線性有限元法控制方程、數(shù)值離散和積分方法、流固

4、耦合算法、相關模型材料選取和邊界條件設置等應用技術。在理論和應用技術研究基礎上，完成了不同剛度楔形體和三維艏部結構入水砰擊過程的數(shù)值模擬，得到了和試驗吻合較好的砰擊壓力峰值和分布規(guī)律，驗證了采用LS‐dyna進行結構物入水砰擊數(shù)值仿真的正確性和可靠性。
　?、忍岢隽恕奥渌閾粼囼?數(shù)值仿真”分步走的鞭擊振動響應分析方法，即基于第2章局部結構自由落水砰擊試驗成果上，采用有限元方法對超規(guī)范江海直達船在壓載工況下由砰擊引起的鞭擊振動問題

5、進行了仿真研究。計算發(fā)現(xiàn)底部砰擊引起的船中動彎矩可以達到規(guī)范計算波浪彎矩的10％左右，同時討論了空氣墊和彈性效應對鞭擊振動響應的影響。
　?、舍槍挶夥蚀笮徒Ｖ边_船波浪航行中會遭受嚴重的鞭擊振動和波激振動問題，采用分段龍骨模型在不同裝載狀態(tài)、不同航速和不同波浪條件下進行了規(guī)則波和不規(guī)則波載荷模型試驗研究，揭示了鞭擊振動和波激振動的發(fā)生機理和響應特性，研究了不同裝載狀態(tài)、不同航速、不同海況對其影響規(guī)律。同時，提出了兩種有效區(qū)分船體

6、梁波激振動和鞭擊振動的分析方法，不同高階波激振動分析方法，討論了這兩種非線性振動對結構響應的貢獻和影響規(guī)律。還對高頻彎矩與波頻彎矩的相關性、彎矩響應極值的超越概率、不確定度等統(tǒng)計特性進行了分析。通過上述試驗研究，全面掌握了寬扁肥大江海直達船在波浪中的非線性載荷及響應特點和規(guī)律，并對CCS擬施行的《江海通航船舶建造規(guī)范（報批稿）》中設計波浪彎矩的取值提出了修正建議。
　　⑹對二維水彈性理論和計入砰擊引起的鞭擊振動響應水彈性理論進行了

7、概述，討論了結構阻尼、航速、波浪等參數(shù)對水彈性理論計算結果的影響，并采用水彈性程序對超規(guī)范設計（B/D>2.5）的新一代江海直達船在規(guī)則波中的結構響應進行了預報，同時還將該理論計算結果與已有模型試驗進行了對比分析，驗證了二維水彈性理論預報寬扁肥大船型波浪載荷及響應的可行性和有效性。
　　⑺從模型試驗和數(shù)值計算兩方面系統(tǒng)地分析了江海直達船局部和總體砰擊載荷及其引起的結構響應、波激振動的發(fā)生機理，發(fā)展了三維結構入水砰擊、考慮鞭擊振動和