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船舶波浪载荷的三维水弹性分析方法研究

作　者: 李辉
导　师: 任慧龙
学　校: 哈尔滨工程大学
专　业: 船舶与海洋结构物设计制造
关键词: 船舶非线性波浪载荷水弹性分析方法三维势流理论自动舵 Rankine源数值海岸航速
分类号: U661.1
类　型: 博士论文
年　份: 2009年
下　载: 304次
引　用: 2次
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内容摘要

在船舶波浪载荷的预报中,随着大尺度、高航速、非常规船舶的出现,以及高强度钢、复合材料等在船舶工程上的应用,以平面流建立起来的二维方法、不计船体弹性效应的刚体模型与仅适用于低海况低航速时的线性假设,逐渐暴露出其局限性。本文主要围绕三维自由面格林函数方法以及三维Rankine源方法,研究并提出一套适合船舶运动与波浪载荷计算的三维非线性水弹性分析方法。本文着重在以下几个方面进行了探讨。首先,对目前较为常用的船体干模态分析方法迁移矩阵法与有限元法进行了比较研究；在二维梁振动模型的基础上结合现有的三维刚性船体湿表面网格划分方法,将船体的二维振动形式向三维扩展,提出了一种快捷的三维弹性体湿表面网格划分方法；为了满足Rankine源方法中在自由面布置奇点的需要,将基于累加弦长的三次参数样条函数的船体湿表面网格划分方法加以拓展,提出了一种圆形自由面网格划分方法。其次,基于三维势流理论,考虑船体结构的弹性变形,在频域内建立了适合求解中、低速航行船舶运动和波浪载荷的水弹性分析模型。‘结合弹性体三维湿表面网格划分方法,采用源汇分布法求解流场速度势,在算得船体所遭受的各种波浪力后,建立起船体结构在波浪上的强迫振动方程,进而求解出船体结构各阶振动的主坐标以及剖面载荷。通过对大型散货船和集装箱船的计算,对该方法进行了验证,并对大型船舶的运动与波浪载荷的弹性效应进行了分析。再次,考虑物面变化引起的各种非线性因素以及砰击力的作用,提出了一种较为高效、实用的三维时域非线性水弹性波浪载荷计算方法。为了解决船舶运动方程的斜浪发散问题,根据船舶操纵性理论,引入了PID自动舵模型。将舵力(矩)的函数表达式以系数矩阵的形式计入平衡关系式,建立了考虑操纵性影响的船舶运动方程。针对大型散货船,对自动舵模型的有效性和该时域水弹性方法的正确性进行了验证,并对波浪力、船体运动和载荷响应的非线性程度进行了分析。以大型集装箱船为例,计算了考虑砰击力后的主坐标响应和垂向波浪弯矩响应。最后,基于Rankine源方法,考虑船体结构在波浪作用下的弹性变形,提出了一种可以考虑航速效应的三维时域水弹性分析方法。通过采用数值海岸使辐射条件得到满足,应用面元法将分布源积分方程化为二阶微分方程组并利用差分法对源强进行了求解,进而获得船体运动以及波浪载荷。通过一艘10000TEU集装箱船算例对该方法进行了验证,并对船舶波浪载荷的航速效应进行了分析。

全文目录

摘要  5-7
ABSTRACT  7-13
第1章绪论  13-28
  1.1 论文的目的和意义  13-14
  1.2 船舶水弹性力学发展综述  14-23
    1.2.1 二维线性船舶水弹性理论  15-17
    1.2.2 二维非线性船舶水弹性理论  17-20
    1.2.3 三维线性船舶水弹性理论  20-23
    1.2.4 三维非线性水弹性理论  23
  1.3 Rankine源方法  23-25
  1.4 船舶水平运动发散问题的研究现状  25-26
  1.5 本文的主要工作  26-28
第2章船舶结构模态计算及三维湿表面网格自动生成方法  28-58
  2.1 概述  28-29
  2.2 弹性体干模态分析方法  29-39
    2.2.1 船体梁垂向、水平和扭转运动的控制方程  29-34
    2.2.2 船体结构振动方程的求解方法  34-39
  2.3 船体结构三维湿表面网格自动生成方法  39-45
    2.3.1 累加弦长的三次参数样条函数  40-41
    2.3.2 刚性船体的三维湿表面网格自动生成方法  41-43
    2.3.3 弹性船体结构三维湿表面网格自动生成方法  43-45
  2.4 船体外部自由面的网格划分  45-47
  2.5 算例分析  47-57
    2.5.1 散货船模态分析  47-54
    2.5.2 散货船湿表面网格划分  54-57
  2.6 本章小结  57-58
第3章船舶运动与波浪载荷计算的三维线性频域水弹性方法  58-79
  3.1 概述  58-59
  3.2 结构基本运动方程  59-60
    3.2.1 三维结构动力学方程  59
    3.2.2 主坐标及结构的主坐标运动方程  59-60
  3.3 弹性体周围流场的三维势流理论  60-67
    3.3.1 坐标系选取与入射波的定义  60-62
    3.3.2 弹性体周围流场速度势定解条件  62-66
    3.3.3 非定常扰动势满足的定解条件  66
    3.3.4 非定常扰动势求解的源汇分布法  66-67
  3.4 弹性船体上广义力的表达  67-69
    3.4.1 广义流体力  67-68
    3.4.2 广义重力  68-69
    3.4.3 广义集中力  69
  3.5 广义频域线性水弹性力学运动方程的建立及求解  69-70
  3.6 算例分析  70-78
    3.6.1 本文方法的验证分析  70-73
    3.6.2 大型船舶的波浪载荷的弹性效应分析  73-78
  3.7 本章小结  78-79
第4章船舶运动与波浪载荷计算的三维非线性时域水弹性方法  79-102
  4.1 概述  79-80
  4.2 时域水弹性力学方程  80
  4.3 作用在船体上的非线性流体载荷  80-85
    4.3.1 流体静力载荷  81
    4.3.2 波浪主干扰力  81-82
    4.3.3 波浪绕射力  82
    4.3.4 辐射力  82
    4.3.5 砰击力  82-85
  4.4 斜浪求解发散问题的处理  85-91
    4.4.1 PID自动舵模型上的舵力表达  86-89
    4.4.2 自动舵效应的系数矩阵表达式  89-91
  4.5 船体非线性运动方程  91
  4.6 求解常微分方程组初值问题的数值方法  91-92
  4.7 船体剖面非线性波浪载荷  92
  4.8 算例分析  92-101
    4.8.1 自动舵方法解决斜浪发散问题的数值验证  92-94
    4.8.2 线性时域解和线性频域解的对比验证  94-96
    4.8.3 运动及载荷非线性程度分析  96-100
    4.8.4 砰击载荷计算  100-101
  4.9 本章小结  101-102
第5章基于Rankine源方法的三维时域水弹性分析方法  102-128
  5.1 概述  102-103
  5.2 流场速度势的基本阐述  103-109
    5.2.1 流场速度势的定解条件  103-105
    5.2.2 辐射条件的满足  105-109
  5.3 非定常扰动势求解的源汇分布法  109-111
    5.3.1 分布源积分方程的建立  109-110
    5.3.2 面元法  110-111
  5.4 差分误差的解决方法  111-119
    5.4.1 差分格式的误差分析  111-114
    5.4.2 解决方法  114-118
    5.4.3 差分阻尼因子对计算结果的影响  118-119
  5.5 船体运动方程  119
  5.6 算例分析  119-127
    5.6.1 本文方法的验证  119-125
    5.6.2 不同航速的计算结果对比  125-127
  5.7 本章小结  127-128
结论  128-130
参考文献  130-142
攻读博士学位期间发表的论文和取得的科研成果  142-144
致谢  144

船舶波浪载荷的三维水弹性分析方法研究

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