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原文传递海洋结构物入水砰击载荷与响应研究

论文题名：	海洋结构物入水砰击载荷与响应研究
关键词：	入水砰击;平底结构;二维刚性楔形结构;流固耦合法;空气垫特性
摘要：	21世纪人类进入海洋经济时代。随着工业技术的发展和海洋资源开发的需要，各种新型船舶和海洋结构物不断出现，而且越来越多地涉及流固耦合作用，其中海洋结构物入水是该类问题中非常复杂，并具有实际意义的课题之一。当代的船舶向高速化、大型化发展，出现砰击与上浪等现象的概率越来越高。在设计中如何合理的确定这类非线性载荷对船体强度的影响成为已一个迫切需要解决的重要课题。本文采用数值仿真方法，研究了海洋结构物入水砰击的载荷与响应问题，研究的主要内容和结论如下： 1.对国内外现有的结构物入水砰击理论进行了消化、吸收，重点介绍了二维楔形体自相似理论(self-similarity)、平底结构空气垫理论及三维钝体结构入水的“反问题”方法，研究并分析了各种理论的适用范围与存在的问题，对结构入水理论所涉及的问题作了有益的讨论。 2.研究了结构入水砰击仿真的基本理论和关键技术，提出了无反射边界条件、流场初始条件等在数值仿真中的解决方法；研究了数值仿真计算模型的网格尺寸与精度控制，获得了结构物入水砰击仿真计算优化的网格尺度，有成效地解决了通用软件难以在入水砰击研究上的应用问题。 3.将入水速度的范围拓展至中速和高速的情况，并修正了二维平底刚性结构的入水压力峰值预报公式；提出砰击压力峰值的质量修正系数km，研究了该系数与质量系数()的关系，获得了结构物非等速入水砰击压力峰值的计算公式，推导出了平底()水砰击力的实用计算方法。 ()方真方法，研究了平底结构入水瞬间空气层内各物理量的特性和空气层与水面的混合情况，解决了现有理论和试验研究无法考察入水瞬间空气层的物理特性的问题。结果表明：结构入水瞬间，空气层受结构和水的快速挤压作用密度迅速增大；热量来不及迅速传递出去，外界对气体所做的功转化为气体的内能，使气体的温度升高；而且发现了飞溅效应发生在压力峰值以后，对砰击压力的影响很小的结论。 5.在全流场范围内考虑空气和重力等因素的影响，研究了二维刚性楔形结构物的入水问题，分析了楔形结构物入水过程中液面升高和喷射区根部的特点，提高了精度；研究指出：二维“U”型剖面和球鼻船首的入水砰击(a).“U”型剖面的船体底部区域较为平坦，入水砰击压力几乎与平底结构入水压力相似，完全可以用平底结构入水砰击压力公式进行预报；(b)具有圆舭部区域入水角度较大，空气迅速逃逸，砰击压力远远小于平底结构；(c).采用“U”型剖面船体形状，底部中龙骨处应予以适当加强；(d).球鼻船艏的横向剖面曲率较大，入水角迅速变化，中龙骨处的砰击压力远远小于“U”型剖面。 6.采用流固耦合的方法，有效地计算各类复杂结构物的入水砰击响应问题。研究指出：准静态法无法考虑外板板格支撑结构的砰击响应，特别是无法研究整体结构的砰击响应。作者通过实船船底板架和球鼻艏整体入水的仿真研究发现：(a).船底桁材和实肋板上的应力水平均高于外板一倍左右，而且船底外板将砰击载荷传递至相连的结构上，板架整体承受砰击载荷的作用；(b).船底外板与支撑结构应力成分不同，外板以正应力为主，而船底桁材和肋板上的剪力与正应力相当，因此其等效合成应力亦较大；(c).球鼻艏入水冲击响应的高应力区主要集中在环向加强筋及其平台的连接区域，设计时应予以充分重视。 7.进行了有盖空气格栅结构的入水冲击试验与仿真计算，指出两者差异的原因，并进一步验证了仿真方法的可行性和准确性。本文主要在仿真方法的可行性、空气垫特性、砰击压力产生机理及预报、弹性效应影响以及三维结构的入水砰击压力与响应方面做了探索性的研究，得到了一些有意义的结论。
作者：	陈震
专业：	船舶与海洋结构物设计制造
导师：	肖熙
授予学位：	博士
授予学位单位：	上海交通大学
学位年度：	2005
正文语种：	中文