超大型集装箱船砰击载荷分析

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1、哈尔滨工程大学硕士学位论文损失。因此，在多国的船级社规范中均有规定，要保证船舶的砰击强度。而要对船舶的砰击强度进行评估，首要解决的就是砰击载荷的确定。而迄今为止，研究关于船艏底部砰击的文献已有不少，研究外飘砰击的文献不多。本文关心的是超大型集装箱船的外飘砰击压力。1．2砰击的国内外研究历史与现状1．2．1理论研究关于入水冲击的最早研究为YonKarmanⅢ对水上飞机降落着水时受到的冲击载荷的研究。他利用动量守恒定理，将水上飞机降落过程理想化为二维楔形体的入水过程，提出了物体冲击流体的理论，对物体入水过程作了概括性的描述，成为最早的理论研究。但是这种将流固之问的

2、作用转化为固体之间的作用，忽略很多重要因素，对液面升高的影响及对受扰动的水的质量的估算等不够准确，未考虑流体对结构的冲击作用，因而会有较大误差。Wagner瞳1在此基础上引入势流理论，将楔形结构等效为一个扩展的平板，提出了小倾角模型的近似平板理论，成为现今理论研究的基础。他把物体冲击时液体表面的抬升近似地看作液体对于平板的绕流运动，并运用伯努利方程导出冲击压力在物体表面的分布状况。在不考虑空气垫的情况下，任何剖面形状的小倾角模型表面的冲击压力分布都可用近似平板理论进行计算。考虑了水面隆起效应，引入了湿表面概念，该方法适用于斜升角较小的钝形物体入水的开始阶段。1

3、958年，Sharov∞1考虑了弹性物体的入水问题。1959年GrigortanH3、1984年Gavrilenko瞄1等人在考虑流体的可压缩性方面作了不同程度的研究。1969年Dobrovolskaya阳3将物理平面上二维刚性楔形体等速入水问题转化为复平面上白相似流问题，推导出了入水问题相似解的积分方程并做了数值分析，得到了整个流场内的流体速度与压力分布；1979年Pukhnachov提出渐进展开法，1984年又和Korobkin例提出匹配渐进展开法，都是在平板理论基础上改进和创新后求解钝体入水的理论。1986年Watanabe阳1给出了平板斜向入水的压力分

4、布公式，克服了Wagner公式的不连续性的缺点，但是就压力峰值的计算结果两者相差不大。1987年Coine阳1则推导出了另一相近的公式。20世纪90年代初，随着数学理论基础的完善和计算机技术的迅速发展，求解效率和准确度也在不断地提高，相应的物体入水冲击的问题研究也在不断地深入，水动力学第l章绪论的数值计算取得了巨大进步，并开始广泛应用与科研和工程之中．1993年，Zhao和Faltinsenn叽采用非线性边界元方法来求解任意形状的二维剖面入水冲击问题，引入角度阀值处理射流的方法较好地解决了过细的射流带来的计算不稳定的问题，并将斜升角在4。～81。范围内的计算结

5、果与相似解方法的计算结果作了比较，斜升角在小角度范围内的计算结果与渐进展开法的计算结果作了比较，都得到了较好的一致。1994年，高木健⋯1使用匹配渐进展开法研究了二维楔形弹性板的入水问题。把楔形体的底板作为一个弹性梁来处理，并考虑轴力、板的刚度、以及两侧板刚性等因素的影响，并给出了实验结果，且与理论计算的结果作了比较，两者具有良好的一致性，发现水弹性在估计底板应力时是很重要的因素。1999年Samesn2。等人使用有限体积法来解决船体砰击的问题。该算法求解了任意的自由液面的变形，使用非结构化网格使区域离散化。先假定船体为刚体，入水过程中的速度已知，然后利用实船

6、计算出船首在恶浪下砰击水面的速度(作为理论计算的已知条件)，模拟三个船首剖面的入水以计算出作用在艏部外飘区域的流体压力。发现速度的规定对压力有很大的影响。1999年Mei、Liu和Yuen33根据Wagner的平板理论，提出了一个求解任意剖面形状二维物体入水问题的方法。该方法不但可以应用到任意剖面二维物体，而且在整个物体的湿表面上满足物面条件。它使用等角影射推导出求解某时刻的边值问题的公式，使用动量守恒计算自由入水时的瞬时速度。从2003到2006年Souli和Aqueletn们n副n63利用大型有限元软件LS—DYNA来模拟二维刚性楔形体的入水砰击问题，预报

7、了局部砰击压力情况及阻尼对砰击压力的影响2004年，GX．wu【I7J等改进了自相似理论，将流场的自相似条件加以变换，扩展至楔形体的非等速入水的情况，引入一个辅助函数弱化压力与加速度之间的依赖性，将与压力相关的速度势作为一个未知的函数在计算中独立求解，而有效地减少了按照有限差分法求解压力时所带来的问题，计算结果与试验结果较吻合。国内，1979年戴仰山【．18】等人将船舶运动的切片法与0chi给出的砰击压力的试验归纳公式相结合，求解船舶在不规则波浪中航行时的船首底部砰击压力与船体梁砰击振动弯矩。1991年，顾懋祥、程贯一和张效慈【19】等利用在同一时间步流场和结

8、构响应迭代的方法计算了平头旋转壳体垂直