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基于CFD-FEM双向耦合的船舶非线性水弹性问题研究
| 论文题名： | 基于CFD-FEM双向耦合的船舶非线性水弹性问题研究 |
| 关键词： | 船体结构;非线性水弹性;航速参数;流场压力 |
| 摘要： | 随着船舶尺度的增大，船体结构刚度变得越来越小，这意味着波浪激励频率和船体振动固有频率更加接近，进而使得弹振和颤振等水弹性响应更加明显。与势流方法相比，基于求解雷诺平均纳维尔斯托克斯方程的CFD（Computational Fluid Dynamics）方法则能很好地考虑流场的所有非线性因素，在此基础上，通过和FEM（Finite Element Method）方法耦合求解，可以进一步精细考虑到结构变形对流场的影响。CFD-FEM双向耦合数值求解方法成为了模型试验以外的另一研究船舶水弹性问题的重要手段。 本文首先基于商业软件STARCCM+和ABAQUS，建立了CFD-FEM双向耦合计算方法。通过对比文献中的试验和数值计算结果验证了数值算法的准确性，并说明了基于CFD-FEM双向耦合的方法比基于势流理论的传统水弹性方法更加接近于试验值。 在验证了本文数值方法可靠性的基础上，进一步研究了影响船体非线性水弹性响应的若干因素。首先计算了无航速情况下，波长船长比（λ/L）、频率比（ωe/ω2）和波陡（H/λ）对顶浪情况下船体水弹性响应的影响。研究发现，与其他两个因素即ωe/ω2和H/λ相比，λ/L对近船中截面垂向弯矩的影响最为明显，如ωe/ω2=1时，λ/L=1.07对应的近船中的无量纲的垂向弯矩幅值是λ/L=0.6的2倍。此外，ωe/ω2以及H/λ对水弹性响应的影响也与λ/L呈现出较大的相关性。 在此基础上，计算了航速对水弹性计算模型响应的影响。发现在船体梁固有频率较大时，航速虽然会显著地增大船体的刚体运动幅值，对近船中截面的垂向弯矩影响则不明显。最后，针对与试验模型等刚度的船体梁，对水弹性计算模型的流场压力和船体梁的垂向位移进行了模态分析。发现流场压力的第一阶模态形状主要受到船体刚体运动的影响，更高阶则受到船体梁弹性变形的影响。顶浪和顺浪工况下，流场压力模态完全不同，船体结构模态响应特性也不同。 |
| 作者： | 柳光军 |
| 专业： | 船舶与海洋工程 |
| 导师： | 孙哲 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 大连理工大学 |
| 学位年度： | 2021 |
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