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原文传递宽扁型江海直达船的波激振动与砰击颤振特性研究

论文题名：	宽扁型江海直达船的波激振动与砰击颤振特性研究
关键词：	江海直达船;波激振动;砰击颤振;结构强度
摘要：	为充分发挥长江黄金水道优势，推动长江经济带可持续发展，顺应长江运输船舶大型化的发展趋势，满足绿色、高效、经济与安全的需求，新一代宽扁型江海直达运输船型应运而生，可有效突破现有航运瓶颈，解决江船不能出海、海船不能入江的难题，实现江海直达运输，显著提高航运经济性。然而宽扁型大开口船体结构的垂向刚度及扭转刚度较小导致船体梁固有频率降低，有必要对其非线性波激振动以及砰击引起的结构高频颤振响应特性进行深入研究，建立评估宽扁型江海直达船波激振动与砰击颤振响应可靠高效的计算方法。因此，开展宽扁船型结构安全与可靠性评估及规范制定均具有重要意义与工程应用价值。　　本文主要采用理论分析、模型试验和数值仿真的方法针对宽扁型船的波激振动与砰击颤振响应展开系统研究：　　首先，基于改进的Wagner砰击载荷模型的理论分析方法，得到了宽扁型船体底部砰击载荷模型的解析解，分别采用理论解析方法、任意拉格朗日欧拉(ALE)和有限元-无网格光滑粒子(FEM-SPH)流固耦合数值仿真方法对二维楔形体的入水砰击过程开展计算，并通过与试验结果对比验证了计算方法的可靠性与精度。开展了宽扁型江海直达船典型三维船艏模型入水砰击试验研究，并分别进行了二维船体剖面以及三维船艏砰击的数值仿真研究，验证了二维与三维复杂物面形式入水砰击仿真方法的可靠性与有效性；分析了不同纵倾角以及入水速度下船体结构砰击载荷特性。　　在对刚体结构入水砰击载荷研究的基础上，采用基于MLM(Modified Logvinovich Model)模型的理论解析方法以及ALE流固耦合数值仿真方法对弹性楔形体结构的砰击载荷及结构响应特性开展研究，探讨不同入水速度、板厚、斜升角以及边界条件对弹性楔形体结构所受砰击载荷及结构响应的影响。与刚体结构砰击结果对比，分析了弹性变形效应对砰击载荷的影响，考虑局部变形的弹性效应可更准确的评估艏部入水过程中的砰击载荷。　　开展了宽扁型江海直达船舶的非线性波浪载荷弹性模型试验研究。设计了新型U型龙骨梁模型，并使其满足船体垂向与扭转固有频率的相似关系，提出了非线性弹性模型试验的试验方案，分别进行了静水试验、规则波和不规则波下运动响应及结构响应的时域和频域分析。对不同航速及遭遇波浪下船体各处的响应传递函数，高频载荷响应成分结果进行频域及时域分析，确定了宽扁型非常规船舶模型试验中的波激振动特性及砰击颤振特性，为该船型结构设计提供非线性波浪载荷水平的参考及依据。　　在非线性水弹性时域计算预报方法的研究中，结合本文提出的改进MLM砰击载荷时间历程模型，考虑砰击载荷对全船结构弹性变形影响，编制了非线性水弹性时域计算预报程序。对宽扁型江海直达船进行了非线性水弹性时域计算，并与商业软件HydroD-Wasim的计算结果进行对比，分析了全船结构弹性变形对波激振动及砰击颤振响应的影响。另外将非线性水弹性时域计算结果与本文中开展的非线性波浪载荷弹性模型试验结果进行对比，验证了其计算方法的可靠性与有效性，并对船体结构模态、运动响应和船体非线性载荷响应的时域与频域分析、以及高阶波激振动与颤振响应进行了预报分析。　　综上，本文对宽扁型江海直达船舶波激振动响应特性、局部和总体砰击载荷及其引起的颤振响应特性进行系统研究，为考虑砰击载荷、波激振动与颤振响应的宽扁型江海直达船舶结构强度评估提供了参考依据，建立了高效实用的砰击载荷评估及非线性水弹性时域直接计算预报方法，避免了繁杂的全船详细结构建模环节，提高了非线性波浪载荷计算效率，特别是在结构方案优化设计阶段具有较大优势。
作者：	王一雯
专业：	船舶与海洋结构物设计制造
导师：	吴卫国
授予学位：	博士
授予学位单位：	武汉理工大学
学位年度：	2020