航行船舶的非線性水彈性理論與應用研究.pdf

1、船舶在大浪中航行時，其運動和波浪載荷均呈現(xiàn)明顯的非線性；航行中船舶所受到的載荷以及由此引起的結構變形和破壞實質(zhì)上都是一個動態(tài)的過程，利用傳統(tǒng)的將水動力學問題與結構力學問題分開處理的方法具有一定的局限性，而從流固耦合的角度，建立大浪中航行船舶的非線性水彈性分析方法，深入研究與揭示大浪中航行船舶的安全性，不僅具有理論上的合理性和創(chuàng)新性，而且具有重要的工程應用價值。 在過去的二十多年里，船舶水彈性力學理論和分析方法從二維發(fā)展到三維，從

2、線性發(fā)展到非線性，并廣泛應用到船舶與海洋工程中的流固耦合分析中，如大型船舶，高性能多體船和超大型浮體(VLFS)等的運動、載荷與結構響應評估等，逐漸發(fā)展成為一門具有廣泛工程應用價值和發(fā)展?jié)摿Φ男屡d船舶力學學科分支。 本文在三維船舶水彈性力學領域里開展研究工作，首先著力于繼承已有的三維線性船舶水彈性分析方法(Wu，1984；杜雙興，1996)，并加以發(fā)展和完善，更為嚴格地考慮了航速與定常興波流場對船舶水彈性響應的影響；然后在浮體二

3、階非線性水彈性理論(Wu，Maeda&Kinoshita，1997)基礎上，考慮航速和定常興波流場的影響，并計及大角度剛體運動和瞬時濕表面變化對非線性波浪力的貢獻，建立了大浪中航行船舶的三維非線性水彈性分析方法。完成的主要研究工作如下： (1)簡要回顧船舶水彈性理論及相應數(shù)值分析方法的歷史發(fā)展狀況。并在Wu，Maeda & Kinoshita(1997)的理論基礎上，考慮波浪中航行浮體周圍流場的一階速度勢及其一階響應對二階水動力

4、的貢獻，推導了大浪中航行船舶的廣義二階非線性水彈性理論，并給出了廣義三維非線性水彈性運動方程中各二階波浪作用力水動力系數(shù)的表達式。 (2)對耐波性分析中的定常流場處理方法進行了總結，提出了一種去奇虛擬源匯分布法，可以數(shù)值求解航行船體非均勻定常興波流場速度勢的高階偏微分，以潛航橢球體為例進行了計算，經(jīng)與理論解進行比較，對于沒有尖角的光滑曲面，驗證了該方法的有效性。另外，利用Kim(2005)給出的邊界積分方法，當已知Haveloc

5、k移動興波源格林函數(shù)及其一階偏微分量，也可求得定常航行船舶流場速度勢的高價偏導數(shù)。 (3)考慮定常興波流場的影響，發(fā)展了航行船舶的三維線性水彈性力學分析程序，并以潛航橢球體，水面上航行的可變形半橢球體和SWATH船型為例，探討了定常興波流場、疊模流場與均勻流場模型對水彈性響應計算結果的影響。 (4)考慮彈性船舶周圍非均勻穩(wěn)態(tài)興波流場的影響，并計及瞬時濕表面變化與大角度剛體運動引起的非線性水動力，建立了大浪中航行船舶的三維

6、二階非線性水彈性力學分析方法與程序，并以不規(guī)則波中航行的小水線面雙體船為例，給出了計及二階波浪力作用下的航行船體的變形、應力等結果。 (5)基于線性和非線性水彈性分析方法，對波浪中零航速駐留及有航速航行的SWATH外載荷進行了理論預報，并與試驗結果進行了比較。 本文的工作，使得采用統(tǒng)一的方法，同時預報大浪中航行船舶(含零航速浮體)的線性和非線性水彈性響應成為可能，不僅在數(shù)學上更為接近Bishop，Price & Wu(1

7、986)和Wu，Maeda & Kinoshita(1997)的理論模型，而且在數(shù)值上較以前的工作更為嚴密地考慮了航速的影響。 本文的主要創(chuàng)新點是： (1)吸收已有的耐波性分析中定常流場處理方法，提出了一種去奇虛擬源匯分布法，能夠數(shù)值求解航行船體三維非均勻定常興波流場速度勢的高階偏微分量，對一潛航橢球體的算例表明，數(shù)值預報結果與理論解吻合一致； (2)首次在三維船舶線性水彈性分析中，考慮了定常興波流場的影響，發(fā)展

8、了航行船舶的三維線性水彈性力學分析程序(THAFTS)，并利用移動脈動源格林函數(shù)，較嚴格地計及了航速對水彈性響應的影響； (3)首次建立了計及定常興波流場影響的航行船舶的二階非線性水彈性力學分析方法，可同時預報任意形狀浮體的興波流場、在大浪中的運動、結構動載荷與動應力，并首次給出了隨機波浪中航行船舶的三維非線性水彈性響應的算例(Tian & Wu，2006a)； (4)首次將三維非線性水彈性理論應用于SWATH的實船計算