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原文传递瞬态载荷作用下大幅运动航行体流固耦合方法及应用研究

论文题名：	瞬态载荷作用下大幅运动航行体流固耦合方法及应用研究
关键词：	流固耦合;可压缩性;分块加载技术;动网格技术;弹塑性结构;波浪载荷;自由液面效应;声学渐进近似法
摘要：	自然界中存在各种各样的抨击现象，人们往往对某些显而易见的抨击现象感兴趣，如波浪载荷的抨击作用，但事实上很多常见的物理现象也可能产生瞬间的抨击作用，如水面舰船突然以某一初速度开始运动，使船体与流场瞬间撞击，进而产生一种不是很强烈的抨击，或者弹体出水时，弹头与自由面撞击，也会产生一种不是很强烈的抨击作用，这些抨击现象均是以流场瞬间剧烈变化为特点，由于抨击作用不是很强烈往往被人们忽视，但事实上，这种瞬间的抨击作用引起的水动力是非常大的，这种抨击作用使结构在初始时刻附近处于不稳定状态，而这种非稳态流场的动压力值比稳态流场的动压力值大几倍甚至几十倍：另外水下爆炸冲击波载荷作用下的船体结构流固耦合问题也是以流场瞬间剧烈变化为特点，对船体结构造成非常强烈的冲击，进而导致非常严重的毁伤。但无论是强烈的冲击问题还是弱抨击问题，均是以流场瞬间剧烈变化为特点，解决这类问题的关键在于必须考虑流场可压缩性。　　如今，解决如水下爆炸这样的强冲击问题有很多方法，著名的有延迟势法、双渐进法(DAA)等，但这些方法也存在共同的缺点，即均是基于线性化假设提出的一种理论，从理论上来说是不能解决航行态(做大幅运动)结构的流固耦合问题，而事实上很多弱抨击问题均是由水中航行体突然做大幅运动而引起的，这样的流固耦合问题以‘抨击’，“大幅”为主要特点，即不能采用善长处理抨击问题的双渐进法，也不能采用不考虑可压缩性但擅长处理大幅运动问题的势流理论方法。为此，本文根掘DAA法的局限性即只能用于解决处于准静态条件下的流固相互作用，在DAA法的基础上，推导了将运动非线性引入到DAA法计算的一种数值计算方法，即非线性双渐进法(NDAA)，使航行态结构(做大幅运动的结构)的流固耦合问题得以解决，并比较了DAA与NDAA法的数值计算结果，验证NDAA法正确性及合理性的基础上，并将其在工程上加以应用。并同时开发分块加载技术，使三维大尺度复杂结构流固耦合数值模拟得以实现；开发动网格技术，以适应结构湿表面随时间剧烈变化的过程。　　针对水面舰船的受力特点，本文将自由液面效应考虑到水中航行体的流固耦合计算当中，推导了计及自由液面效应的修正DAA方程，并将其在水面舰船的流固耦合计算当中加以应用。　　开发声学渐进近似方法(ADAA)法的软件，实现了敷有声学材料的结构流固耦合问题计算，并给出了三维实体单元在冲击波载荷作用下的数值模拟方法。　　以导弹和某型水面舰船为计算模型，将其视为弹塑性结构，采用NDAA法对其水动力特性(流场动压力)、结构运动特性、结构强度进行分析。对弹体，着重比较出水姿态(垂直出水、斜出水)对弹体水动力性能的影响：对船体，着重研究Fr数、无量纲爆距对无量纲峰值压力的影响以及非线性对水面舰船流固耦合计算精度的影响。
作者：	孙士丽
专业：	船舶与海洋结构物设计制造
导师：	姚熊亮
授予学位：	硕士
授予学位单位：	哈尔滨工程大学
学位年度：	2009
正文语种：	中文