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原文传递基于CFD和非线性有限元耦合仿真的船舶在波浪下结构崩溃响应研究

论文题名：	基于CFD和非线性有限元耦合仿真的船舶在波浪下结构崩溃响应研究
关键词：	船体结构;崩溃响应;计算流体力学;非线性有限元
摘要：	多年来全球因波浪引起的船体结构崩溃断裂事故屡见不鲜，不仅带来了巨大的生命财产损失，其泄漏出的原油和燃油也引起了严重的海洋环境污染。船体结构的崩溃实际上是一个复杂的结构非线性和波浪载荷非线性相互耦合的流固耦合过程。以往采用势流水弹塑性方法来评估船体结构在波浪下的结构崩溃响应，该方法基于势流理论来求解船体结构崩溃过程中的波浪载荷，然后将波浪载荷单向传递至非线性有限元模型中计算船体结构的崩溃响应，并不能反馈结构变形对流体载荷的影响。势流理论基于三维面元法求解刚性边界处的流体性质从而获得船体压力，无法求解船体崩溃过程中因船体湿表面大变形产生的波浪载荷物面非线性、波浪上浪和砰击产生的自由面非线性，其计算的波浪载荷有一定的偏差，并且基于波浪载荷单向传递方式无法实现流固双向耦合，无法考虑船体湿表面大变形对波浪载荷的影响，这导致传统势流水弹塑性方法在评估船体结构在波浪下崩溃问题存在一定缺陷，因此需要应用一种既能考虑船舶崩溃过程中复杂非线性波浪载荷又能实现双向流固耦合的数值仿真方法来研究船舶在波浪下的结构崩溃响应。　　本文将基于粘流理论的CFD（计算流体力学）和非线性有限元方法相结合，实现二者的双向协同仿真，用于研究船体在波浪下的结构崩溃响应。利用CFD计算平台STAR-CCM+可求解包含自由面非线性和物面非线性的波浪载荷，采用大型非线性有限元求解器ABAQUS来计算船体结构非线性响应，并将CFD计算的非线性波浪载荷传递给有限元模型。本文尝试采用单向耦合和双向耦合两种方式来实现CFD和ABAQUS的协同仿真，探讨基于CFD和ABAQUS的单向耦合仿真方法和双向耦合仿真方法进行评估船舶在波浪中结构崩溃响应的可行性，通过已有的某水弹屈曲模型试验结果验证仿真方法的有效性。最后应用基于CFD和ABAQUS的双向耦合仿真方法求解4600TEU集装箱船在波浪下的结构崩溃响应。本文主要研究内容如下：　　（1）概括讲述了单向耦合仿真和双向耦合仿真的基本原理，应用了基于CFD和ABAQUS耦合的仿真方法，得到单向耦合仿真和双向耦合仿真两种途径，并研究该方法应用于评估船舶在波浪下的结构崩溃响应的有效性。　　（2）选取某水弹屈曲模型试验作为本文数值仿真研究对象和验证试验，用于验证仿真方法的有效性。建立水弹屈曲模型的CFD水动力模型和非线性有限元结构模型，采用STAR-CCM+和ABAQUS的单向耦合仿真路径开展水弹屈曲模型试验的仿真研究。通过与模型试验结果进行对比分析，指出单向耦合仿真方法存在的问题并探讨原因。　　（3）采用STAR-CCM+和ABAQUS双向耦合仿真路径对水弹屈曲模型试验开展仿真研究。应用STAR-CCM+和ABAQUS的双向耦合仿真路径，将STAR-CCM+计算的波浪载荷映射至ABAQUS里船体有限元湿表面上，将ABAQUS里船体有限元湿表面大变形反馈至CFD水动力模型。通过将双向耦合仿真结果与单向耦合仿真结果和试验结果相比较，发现双向耦合计算结果与模型试验结果接近，验证了双向耦合仿真方法的有效性和可靠性，并分析了其耦合计算合理性和原因。　　（4）以4600TEU集装箱船为研究对象，采用STAR-CCM+和ABAQUS双向耦合仿真方法对该船开展船体结构崩溃响应数值仿真研究。研究波浪参数与船体结构崩溃响应的关系，分析4600TEU集装箱船实船结构在波浪下的结构崩溃模式和崩溃机理。
作者：	夏天禹
专业：	船舶与海洋工程
导师：	刘维勤
授予学位：	硕士
授予学位单位：	武汉理工大学
学位年度：	2021