江海直達(dá)船砰擊和波激振動(dòng)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(dá)標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)的首選船型。為了提升載貨量和載運(yùn)效率，設(shè)計(jì)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(kāi)口的船體形式對(duì)于結(jié)構(gòu)的剛度和強(qiáng)度都是非常不利的，由江入海航行后會(huì)面臨嚴(yán)重非線性波浪載荷問(wèn)題，如砰擊和波激振動(dòng)。較大的砰擊載荷不僅會(huì)造成局部結(jié)構(gòu)的損傷，還會(huì)引起船體的鞭擊振動(dòng)，再加上非線性波激振動(dòng)的影響，可能會(huì)引起結(jié)構(gòu)產(chǎn)生嚴(yán)重的強(qiáng)度和疲勞損傷。因而，在設(shè)計(jì)淺吃

2、水寬扁肥大江海直達(dá)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(duì)船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響成為了一個(gè)亟待解決的重要課題。本研究主要內(nèi)容包括：
　?、盘岢隽艘环N新型的三維復(fù)雜結(jié)構(gòu)入水砰擊試驗(yàn)的測(cè)試方法，并對(duì)典型寬扁肥大型江海直達(dá)船艏部結(jié)構(gòu)進(jìn)行了不同入水角度、不同速度等工況下的砰擊載荷試驗(yàn)，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(shí)的空氣墊和空化效應(yīng)現(xiàn)象及其對(duì)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(yù)報(bào)公式。
　?、瓶紤]入水砰擊過(guò)程中結(jié)構(gòu)彈性的影響，結(jié)合江海直達(dá)船艏部型線特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了有代表性（45°底部攻角）的不同剛度楔形體模型，進(jìn)行了一系列不同高度下的自由落水試驗(yàn)，得到了楔形體結(jié)構(gòu)在砰擊瞬態(tài)載荷作用下的響應(yīng)特性和分布特點(diǎn)，掌握了結(jié)構(gòu)彈性效應(yīng)對(duì)砰擊壓力峰值、分布及其持續(xù)時(shí)間的影響規(guī)律。
　　⑶闡述了結(jié)構(gòu)入水砰擊數(shù)值仿真的基本理論和關(guān)鍵應(yīng)用技術(shù)，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(guān)模型材料選取和邊界條件設(shè)置等應(yīng)用技術(shù)。在理論和應(yīng)用技術(shù)研究基礎(chǔ)上，完成了不同剛度楔形體和三維艏部結(jié)構(gòu)入水砰擊過(guò)程的數(shù)值模擬，得到了和試驗(yàn)吻合較好的砰擊壓力峰值和分布規(guī)律，驗(yàn)證了采用LS‐dyna進(jìn)行結(jié)構(gòu)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?yàn)+數(shù)值仿真”分步走的鞭擊振動(dòng)響應(yīng)分析方法，即基于第2章局部結(jié)構(gòu)自由落水砰擊試驗(yàn)成果上，采用有限元方法對(duì)超規(guī)范江海直達(dá)船在壓載工況下由砰擊引起的鞭擊振動(dòng)問(wèn)題

5、進(jìn)行了仿真研究。計(jì)算發(fā)現(xiàn)底部砰擊引起的船中動(dòng)彎矩可以達(dá)到規(guī)范計(jì)算波浪彎矩的10％左右，同時(shí)討論了空氣墊和彈性效應(yīng)對(duì)鞭擊振動(dòng)響應(yīng)的影響。
　　⑸針對(duì)寬扁肥大型江海直達(dá)船波浪航行中會(huì)遭受?chē)?yán)重的鞭擊振動(dòng)和波激振動(dòng)問(wèn)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(jìn)行了規(guī)則波和不規(guī)則波載荷模型試驗(yàn)研究，揭示了鞭擊振動(dòng)和波激振動(dòng)的發(fā)生機(jī)理和響應(yīng)特性，研究了不同裝載狀態(tài)、不同航速、不同海況對(duì)其影響規(guī)律。同時(shí)，提出了兩種有效區(qū)分船體

6、梁波激振動(dòng)和鞭擊振動(dòng)的分析方法，不同高階波激振動(dòng)分析方法，討論了這兩種非線性振動(dòng)對(duì)結(jié)構(gòu)響應(yīng)的貢獻(xiàn)和影響規(guī)律。還對(duì)高頻彎矩與波頻彎矩的相關(guān)性、彎矩響應(yīng)極值的超越概率、不確定度等統(tǒng)計(jì)特性進(jìn)行了分析。通過(guò)上述試驗(yàn)研究，全面掌握了寬扁肥大江海直達(dá)船在波浪中的非線性載荷及響應(yīng)特點(diǎn)和規(guī)律，并對(duì)CCS擬施行的《江海通航船舶建造規(guī)范（報(bào)批稿）》中設(shè)計(jì)波浪彎矩的取值提出了修正建議。
　?、蕦?duì)二維水彈性理論和計(jì)入砰擊引起的鞭擊振動(dòng)響應(yīng)水彈性理論進(jìn)行了

7、概述，討論了結(jié)構(gòu)阻尼、航速、波浪等參數(shù)對(duì)水彈性理論計(jì)算結(jié)果的影響，并采用水彈性程序?qū)Τ?guī)范設(shè)計(jì)（B/D>2.5）的新一代江海直達(dá)船在規(guī)則波中的結(jié)構(gòu)響應(yīng)進(jìn)行了預(yù)報(bào)，同時(shí)還將該理論計(jì)算結(jié)果與已有模型試驗(yàn)進(jìn)行了對(duì)比分析，驗(yàn)證了二維水彈性理論預(yù)報(bào)寬扁肥大船型波浪載荷及響應(yīng)的可行性和有效性。
　?、藦哪Ｐ驮囼?yàn)和數(shù)值計(jì)算兩方面系統(tǒng)地分析了江海直達(dá)船局部和總體砰擊載荷及其引起的結(jié)構(gòu)響應(yīng)、波激振動(dòng)的發(fā)生機(jī)理，發(fā)展了三維結(jié)構(gòu)入水砰擊、考慮鞭擊振動(dòng)和