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高速船舶运动与波浪载荷计算的二维半理论研究

作　者: 马山
导　师: 宋竞正
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: 二维半理论高速船运动和载荷响应水弹性响应水动力系数稳定算法匹配边界元方法非线性波浪载荷
分类号: U661.1
类　型: 博士论文
年　份: 2005年
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内容摘要

高速船舶运动和波浪载荷响应计算方法研究对于高性能船舶的耐波性预报和船体结构设计具有重要意义。近几年发展起来的二维半理论特别适合于排水型高速船舶运动和载荷响应预报。二维半理论定解问题在自由面条件中保留了高速船舶流体动力计算最为重要的航速效应；同时定解问题满足二维控制方程，仅需在各个船体横剖面上求解拉普拉斯方程，计算效率大大高于三维有航速方法。本文围绕应用二维时域格林函数方法求解二维半理论定解问题，对高速船舶的水动力特性、运动和载荷响应进行了计算，同模型试验结果和S.T.F.方法进行了比较研究。本文目的是考察该方法在高速船舶水动力预报上的适用性，促进其应用于工程实际。本文主要在以下几个方面开展了工作。 1．在前人应用时域格林函数方法求解高速船垂向运动的二维半定解问题基础之上，本文进一步应用该模型求解斜浪中高速单体和多体船的运动响应和波浪载荷。经过数值比较分析，本文提出了一种稳定的水动力系数计算格式，避免了速度势数值微分带来的数值误差，适合于二维半理论水动力系数的计算。文中探讨了双体船舶片体水动力干扰作用对运动响应的影响。 2．基于二维半理论的二维时域物面分布源求解格式，本文建立了高速双体船舶在波浪中载荷响应的线性水弹性分析方法。采用三维有限元模态分析法计算了双体船舶在规则波中的运动和载荷响应。结合船舶片体结构的细长几何特性，对船体振动模态进行了简化表示。应用振动模态的简化表示方法，广义流体动力计算可以转化为易于数值求解的形式。以一条双体分段船模为例，应用上述方法计算了其在规则波中的运动和剖面载荷响应，与模型试验结果和文献中发表的理论结果进行了比较验证。最后按照谱分析方法分析了该船模在实际海浪中的弹振效应。 3．提出了应用匹配的边界元方程求解二维半势流理论的数值方法。应用二维时域物面分布源求解方法对这种数值格式进行了比较验证，讨论了自由面边界网格划分和船体纵向分段数划分的收敛性问题。以一条集装箱船为例，

全文目录

第1章绪论  12-27
  1.1 本文的目的和意义  12-14
  1.2 船舶运动和波浪载荷计算方法研究综述  14-23
    1.2.1 二维频域理论  15-18
    1.2.2 二维非线性时域理论  18-20
    1.2.3 三维水动力理论  20-23
  1.3 船舶水弹性力学理论发展综述  23-25
  1.4 本文主要工作  25-27
第2章高速船舶运动与载荷计算的二维半理论  27-78
  2.1 概述  27-28
  2.2 非定常扰动势定解条件的建立和求解  28-38
    2.2.1 坐标系建立与入射波描述  28-29
    2.2.2 速度势的分解和定解条件  29-34
    2.2.3 非定常扰动势的数值求解  34-38
  2.3 非定常扰动流场水动力计算  38-43
    2.3.1 流体辐射和绕射力计算  38-42
    2.3.2 波浪主干扰力计算  42-43
    2.3.3 静水恢复力计算  43
  2.4 船舶在规则波中的稳态运动响应  43-44
    2.4.1 船舶在规则波中运动响应微分方程的建立和求解  43-44
    2.4.2 船舶横摇阻尼的粘性修正  44
  2.5 船舶波浪诱导载荷响应  44-50
    2.5.1 剖面波浪诱导载荷响应  44-47
    2.5.2 双体船连接桥结构波浪诱导载荷响应  47-50
  2.6 算例分析  50-77
    2.6.1 水动力系数几种数值格式间的比较分析  50-55
    2.6.2 船舶水动力2D,2.5D,3D三种方法的比较  55-57
    2.6.3 Series64高速圆舭单体船垂向运动响应预报  57-60
    2.6.4 Seties64双体船自航船模在规则波中的运动响应预报  60-73
    2.6.5 Series64双体船连接桥结构受到的波浪诱导载荷  73-77
  2.7 本章小结  77-78
第3章高速双体船波浪载荷响应的水弹性分析  78-111
  3.1 概述  78-79
  3.2 结构基本运动方程  79-80
    3.2.1 三维结构动力学方程  79-80
    3.2.2 主坐标及结构的主坐标运动方程  80
  3.3 弹性体周围流场速度势定解条件  80-84
    3.3.1 速度势的分解  80-81
    3.3.2 流固交界面线性化运动学边界条件  81-83
    3.3.3 非定常速度势满足的定解条件  83-84
  3.4 弹性体广义模态的简化表示  84-86
  3.5 弹性船体上广义力的表达  86-89
    3.5.1 广义流体力  86-88
    3.5.2 广义重力  88-89
    3.5.3 广义集中力  89
  3.6 广义频域线性水弹性力学运动方程  89-91
  3.7 水弹性分析程序系统设计框图  91
  3.8 高速双体船水弹性分析方法和模型试验比较验证  91-110
    3.8.1 水弹性船模试验测量介绍  92-94
    3.8.2 水弹性船模自由振动模态分析  94-97
    3.8.3 剖面载荷响应关于振型数目的收敛性分析  97-99
    3.8.4 广义流体力和主坐标幅值响应  99-101
    3.8.5 规则波中运动和载荷理论预报值与试验值比较  101-105
    3.8.6 不规则波中船体载荷响应分析  105-110
  3.9 本章小结  110-111
第4章高速集装箱船水动力求解的匹配边界元法  111-141
  4.1 概述  111-112
  4.2 二维半理论求解的匹配边界元方法  112-122
    4.2.1 速度势定解条件  112-114
    4.2.2 匹配边界积分方程的建立  114-118
    4.2.3 匹配边界积分方程的求解  118-122
  4.3 非定常扰动流场水动力计算  122
  4.4 船舶在规则波中的稳态运动响应计算  122
  4.5 算例分析  122-140
    4.5.1 数值格式收敛性分析  122-128
    4.5.2 自由面边界条件离散格式稳定性考察  128-130
    4.5.3 高速船舶水动力的比较验证  130-134
    4.5.4 WigelyⅢ垂向水动力系数的比较验证  134-135
    4.5.5 集装箱船SL-7垂向水动力预报  135-140
  4.6 本章小结  140-141
第5章船舶运动和载荷响应的非线性分析  141-176
  5.1 概述  141-143
  5.2 船舶在波浪中大幅运动时速度势的定解问题  143-144
  5.3 船舶作大幅运动非线性流体载荷的简化计算  144-148
  5.4 船舶垂向运动微分方程的建立和求解  148-150
  5.5 船舶垂向剖面波浪载荷计算  150-152
    5.5.1 船体剖面上的垂向弯矩和剪力  150-151
    5.5.2 船体垂向载荷和运动时历响应的峰值和相位  151-152
    5.5.3 船体垂向载荷和运动时历简谐分量的提取  152
  5.6 算例分析  152-175
    5.6.1 S-175集装箱船非线性运动和波浪载荷预报  152-167
    5.6.2 高速渡轮非线性运动和波浪载荷预报  167-175
  5.7 本章小结  175-176
结论  176-178
参考文献  178-188
攻读博士学位期间发表的论文和取得的科研成果  188-189
致谢  189-190
附录A 二维柱体作大幅运动时流体力计算公式  190-193
附录B 流场速度势纵向偏导数积分的等价形式  193-195
附录C 两个积分公式等价性证明  195-196
附录D 弹性体模态广义力计算公式  196-197

高速船舶运动与波浪载荷计算的二维半理论研究

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