船舶水弹性力学理论的研究进展

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1、船舶水弹性力学理论的研究进展田超[1]，吴有生[1，2]（1上海交通大学船舶，海洋与建筑工程学院，上海200030；2中国船舶科学研究中心，无锡214082）摘要船舶水弹性力学理论在过去近三十年中取得了长足的进步，尤其是三维水弹性理论已被广泛应用于船舶与海洋工程领域的流固耦合问题中。全面地回顾了国内外船舶水弹性力学理论及试验研究的历史与现状，将水弹性力学理论分为二维线性、三维线性、二维非线性、三维非线性等几类，以波浪中航行船舶的水弹性力学理论研究与应用为重点，依次进行了介绍；在船舶水弹性试验方面，着重介绍了国内在整体弹性

2、船模试验研究中取得的进展。关键词：船舶舰船工程；水弹性力学；三维线性频域与时域水弹性理论；二阶非线性水弹性理论中图法分类号：U661.4文献标识码：A1引言现代船舶设计制造技术发展的历史，同时也是船舶力学发展的历史。船舶力学的主要研究内容可以概括为两大学科：船舶结构力学和船舶水动力学。到上世纪70年代末，两者的交叉与融合促成了一门新的学科分支——船舶水弹性力学（Hydroelasticity）的建立。Heller[1]将水弹性力学定义为研究惯性力、水动力和弹性力之间相互作用现象的学科，它与其它流固耦合分析的根本区别在于结

3、构内力也参与了惯性力与水动力的相互作用。船舶水弹性力学是从动力学的观点出发，将柔性船体与周围流场作为一个相互作用的整体系统进行描述和分析，并在此基础上预报船体结构的动力学特性，诸如：船体运动、波浪载荷、结构变形、应力应变以及疲劳性能等，更合理地预报和评估船舶及海洋工程结构的运动特性、可靠性和安全性。迄今为止，船舶水弹性力学的研究与应用对象主要集中在两类船舶与海洋结构物上：第一类是极大型浮体（VLFS）；第二类是常规的大型单体船或高性能多体船舶。对于极大型浮体结构，如日本的超大浮体（Mega-Float）和美国的移动海上基

4、地（MobilOffshoreBase，简称MOB），其尺度远远大于波浪中长波成分的波长，刚度相对于常规船舶要低得多，波浪中弹性变形的幅值往往大于刚体运动幅值，弹性变形对水动力的耦合影响十分显著。因而在极大型浮体的运动性能与结构分析中必须采用水弹性力学分析方法。船舶的情况则有所不同，其弹性变形的幅值一般较刚体运动小1~2个数量级，这时除船体表面局部区域的砰击压力以外，船体结构的弹性变形对流场压力分佈与量值的影响不大。在这样的情况下，对船舶进行水弹性力学分析，本意并非强调变形对流场的耦合影响。基于船舶水弹性力学理论的分析方

5、法的真实意义与吸引力在于：（1）可以比传统的耐波性方法更充分地利用流场信息，从而在预报船舶的刚体运动的同时，给出船体结构的变形、应变、应力、弯矩与剪力等结果；（2）可以同时处理波浪中航行船舶所承受的稳态波浪载荷与瞬态砰击外载荷之间的精确的相位关系；（3）可以把船体上的总体与局部的水动力载荷对结构的效应自然地综合在一起考察；（4）可以将船体在波浪中航行时的结构强度、动稳定性和疲劳性能统一起来加以处理，为发展船舶直接设计方法奠定坚实的基础。因为这些特点，为确保船舶在各种海浪条件下的安全可靠性，并满足必要的航行性能要求，在寻求

6、更为科学、合理的船舶载荷与响应预报方法的进程中，船舶水弹性力学理论及其应用就有着广阔的发展前景。自20世纪70年代后期至今，船舶水弹性力学理论和分析方法取得了显著的进展，从二维发展到三维，从线性发展到非线性，并广泛应用到船舶与海洋工程领域的流固耦合分析中，逐渐发展成为一门具有广泛工程应用价值和发展潜力的新兴学科。世界上除了已召开的四次国际海洋工程水弹性力学会议（HydroelasticityinMarineTechnology）和三次国际超大型浮体会议（VLFS）外，水弹性力学已成为许多国际学术会议的论题之一，内容涉及各

7、类船舶结构在波浪激励、砰击与甲板上浪下的稳态和瞬态响应，海洋工程结构物（如平台、水上机场）的运动、外载荷、承载能力、波激振动、疲劳、可靠性与安全性的评估，水中结构在流场中的振动与噪声辐射、水翼的颤振、水下爆炸及快速运动结构出入水的瞬时冲击响应，各类薄壁储液结构和容器的晃荡、管道或管群的涡激振动等。陈徐均[2]对海洋工程浮体的水弹性研究进行了总结，本文侧重讨论波浪中航行船舶的水弹性力学理论研究与应用，介绍近三十年来国内外船舶水弹性力学理论及试验研究方面的发展历史与现状。2船舶水弹性力学的理论研究2.1线性水弹性理论线性水弹

8、性理论假定流体为均质、无粘、无旋的不可压流体，自由表面波是微幅的，另外假定结构是连续的，线弹性的和各向同性的，且结构相对于其平衡位置的振动是微幅的，对流场的扰动也是微小的。2.1.1二维线性水弹性理论水弹性力学早期的研究主要考虑声波场中的结构响应。直到七十年代中叶，随着耐波性研究领域中二维切片理论[3~4]的引入，弹