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原文传递江海直达船砰击和波激振动研究

论文题名：	江海直达船砰击和波激振动研究
关键词：	江海直达船;宽扁船型;波激振动;流体力学
摘要：	受限于航道水深和跨江桥梁高度的限制，宽扁肥大船型成为江海直达标准化设计的首选船型。为了提升载货量和载运效率，设计了一种超规范（B/D>2.5）的浅吃水宽扁肥大船型。这种宽扁肥大、大开口的船体形式对于结构的刚度和强度都是非常不利的，由江入海航行后会面临严重非线性波浪载荷问题，如砰击和波激振动。较大的砰击载荷不仅会造成局部结构的损伤，还会引起船体的鞭击振动，再加上非线性波激振动的影响，可能会引起结构产生严重的强度和疲劳损伤。因而，在设计浅吃水宽扁肥大江海直达新船型中，有效合理地确定其局部砰击载荷和非线性波浪载荷对船体结构强度的影响成为了一个亟待解决的重要课题。本研究主要内容包括：　　⑴提出了一种新型的三维复杂结构入水砰击试验的测试方法，并对典型宽扁肥大型江海直达船艏部结构进行了不同入水角度、不同速度等工况下的砰击载荷试验，得到了艏部底部及外飘砰击压力峰值和分布特性，并发现了小角度(α<5°)砰击时的空气垫和空化效应现象及其对砰击压力的影响，最后回归了宽扁肥大船型底部砰击压力预报公式。　　⑵考虑入水砰击过程中结构弹性的影响，结合江海直达船艏部型线特点，设计了有代表性（45°底部攻角）的不同刚度楔形体模型，进行了一系列不同高度下的自由落水试验，得到了楔形体结构在砰击瞬态载荷作用下的响应特性和分布特点，掌握了结构弹性效应对砰击压力峰值、分布及其持续时间的影响规律。　　⑶阐述了结构入水砰击数值仿真的基本理论和关键应用技术，包括基于ALE法的非线性有限元法控制方程、数值离散和积分方法、流固耦合算法、相关模型材料选取和边界条件设置等应用技术。在理论和应用技术研究基础上，完成了不同刚度楔形体和三维艏部结构入水砰击过程的数值模拟，得到了和试验吻合较好的砰击压力峰值和分布规律，验证了采用LS‐dyna进行结构物入水砰击数值仿真的正确性和可靠性。　　⑷提出了“落水砰击试验+数值仿真”分步走的鞭击振动响应分析方法，即基于第2章局部结构自由落水砰击试验成果上，采用有限元方法对超规范江海直达船在压载工况下由砰击引起的鞭击振动问题进行了仿真研究。计算发现底部砰击引起的船中动弯矩可以达到规范计算波浪弯矩的10％左右，同时讨论了空气垫和弹性效应对鞭击振动响应的影响。　　⑸针对宽扁肥大型江海直达船波浪航行中会遭受严重的鞭击振动和波激振动问题，采用分段龙骨模型在不同装载状态、不同航速和不同波浪条件下进行了规则波和不规则波载荷模型试验研究，揭示了鞭击振动和波激振动的发生机理和响应特性，研究了不同装载状态、不同航速、不同海况对其影响规律。同时，提出了两种有效区分船体梁波激振动和鞭击振动的分析方法，不同高阶波激振动分析方法，讨论了这两种非线性振动对结构响应的贡献和影响规律。还对高频弯矩与波频弯矩的相关性、弯矩响应极值的超越概率、不确定度等统计特性进行了分析。通过上述试验研究，全面掌握了宽扁肥大江海直达船在波浪中的非线性载荷及响应特点和规律，并对CCS拟施行的《江海通航船舶建造规范（报批稿）》中设计波浪弯矩的取值提出了修正建议。　　⑹对二维水弹性理论和计入砰击引起的鞭击振动响应水弹性理论进行了概述，讨论了结构阻尼、航速、波浪等参数对水弹性理论计算结果的影响，并采用水弹性程序对超规范设计（B/D>2.5）的新一代江海直达船在规则波中的结构响应进行了预报，同时还将该理论计算结果与已有模型试验进行了对比分析，验证了二维水弹性理论预报宽扁肥大船型波浪载荷及响应的可行性和有效性。　　⑺从模型试验和数值计算两方面系统地分析了江海直达船局部和总体砰击载荷及其引起的结构响应、波激振动的发生机理，发展了三维结构入水砰击、考虑鞭击振动和波激振动的分段龙骨模型试验测试和分析技术，提出了高频振动响应中波激振动和鞭击振动区分方法，并得到其对船体结构响应的影响程度，掌握了江海直达船局部砰击、总体砰击的载荷及响应、波激振动响应的特点和变化规律。研究成果对新一代宽扁肥大型江海直达船的结构设计具有指导意义。
作者：	彭晟
专业：	船舶与海洋工程
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：	2014
正文语种：	中文