马山[1]2005年在《高速船舶运动与波浪载荷计算的二维半理论研究》文中指出高速船舶运动和波浪载荷响应计算方法研究对于高性能船舶的耐波性预报和船体结构设计具有重要意义。近几年发展起来的二维半理论特别适合于排水型高速船舶运动和载荷响应预报。二维半理论定解问题在自由面条件中保留了高速船舶流体动力计算最为重要的航速效应；同时定解问题满足二维控制方程，仅需在各个船体横剖面上求解拉普拉斯方程，计算效率大大高于叁维有航速方法。 本文围绕应用二维时域格林函数方法求解二维半理论定解问题，对高速船舶的水动力特性、运动和载荷响应进行了计算，同模型试验结果和S.T.F.方法进行了比较研究。本文目的是考察该方法在高速船舶水动力预报上的适用性，促进其应用于工程实际。本文主要在以下几个方面开展了工作。 1．在前人应用时域格林函数方法求解高速船垂向运动的二维半定解问题基础之上，本文进一步应用该模型求解斜浪中高速单体和多体船的运动响应和波浪载荷。经过数值比较分析，本文提出了一种稳定的水动力系数计算格式，避免了速度势数值微分带来的数值误差，适合于二维半理论水动力系数的计算。文中探讨了双体船舶片体水动力干扰作用对运动响应的影响。 2．基于二维半理论的二维时域物面分布源求解格式，本文建立了高速双体船舶在波浪中载荷响应的线性水弹性分析方法。采用叁维有限元模态分析法计算了双体船舶在规则波中的运动和载荷响应。结合船舶片体结构的细长几何特性，对船体振动模态进行了简化表示。应用振动模态的简化表示方法，广义流体动力计算可以转化为易于数值求解的形式。以一条双体分段船模为例，应用上述方法计算了其在规则波中的运动和剖面载荷响应，与模型试验结果和文献中发表的理论结果进行了比较验证。最后按照谱分析方法分析了该船模在实际海浪中的弹振效应。 3．提出了应用匹配的边界元方程求解二维半势流理论的数值方法。应用二维时域物面分布源求解方法对这种数值格式进行了比较验证，讨论了自由面边界网格划分和船体纵向分段数划分的收敛性问题。以一条集装箱船为例，
杨骏[2]2016年在《叁维时域非线性波浪载荷计算方法研究》文中研究说明艏艉部有大外飘的船舶高速航行时,其遭受的波浪载荷呈现明显的非线性。线性势流理论无法反映出这些非线性特性,有必要对非线性势流理论展开研究。诸多文献研究表明,物面变化给载荷带来的非线性是相当重要的,基于此本文采用了一种考虑静水恢复力和入射力非线性的计算方法。该方法将静水恢复力和入射力沿船体瞬时湿表面积分,而辐射力和绕射力沿船体平均湿表面积分。该方法相当程度上反映了载荷的非线性特性,不需要每一时刻重新划分网格,格林函数只需计算一次,计算效率较高。本文采用混合源法求解船体表面的速度势,该方法同时使用了Rankine源与自由面格林函数。Rankine源的计算采用了区分近场和远场的方法;自由面格林函数的计算比较复杂,本文采用了级数/渐进展开的方法进行计算,并给出了具体算例。分别采用时域线性方法、时域非线性方法和WASIM软件对一艘集装箱船和一艘散货船进行了波浪中运动和载荷预报。计算结果表明,小波高下非线性方法和线性方法计算结果基本一致。另外,为了考察大波高下垂向弯矩的非线性,对集装箱船和散货船进行了大波高下的非线性载荷计算,比较发现,舷侧非直壁的集装箱船垂向载荷的非线性比较显着,而舷侧是直壁的散货船垂向载荷非线性较小。本文研究表明该方法能对舷侧非直壁、以较高速航行的船舶开展非线性载荷预报。
秦洪德[3]2003年在《船舶运动与波浪载荷计算的非线性方法研究》文中指出结构强度计算方法的不断进展对外载荷计算提出了更高的要求。本文工作的主要目的是为船体部分舱段或全船结构有限元分析以及船体强度估算提供一种实用、合理的外载荷计算方法。基于目前造船界广泛应用的切片理论做进一步的改进和完善是本文的核心内容，主要开展了以下几部分工作： 1．关于二维扰动流场的求解：将通常仅适宜求解具有对称形状二维物体扰动流场的多极展开法(保角变换方法)扩展至非对称形状二维物体，给出了任意形状二维物体的辐射和绕射流场的速度势及水动压力的频域解，进一步扩大了多极展开法的实际应用范围。 2．关于线性切片理论：线性切片理论本身已经发展成熟，但已有的基于线性切片理论的船舶运动与波浪载荷预报软件系统存在着某些不足之处，在短波长情况下，往往不能给出合理的结果。本文提出了一些针对性的改进措施，使之在短波长情况下也能给出满足工程需要精度的结果。这里提出的改进措施无论对非线性方法还是线性方法都具有普遍意义，目的是为了提高数值计算的精度。 3．关于水动压力预报：本文提出了基于二维扰动流场频域稳态解的一种预报船体瞬时湿表面压力分布的工程实用方法。该方法应用扩展的切片理论建立迎浪规则波中船舶非线性运动方程，通过时域步进求解获得船舶刚体运动的稳定时历，进而给出与船体各横剖面瞬时吃水相对应的静水压力变化、入射波压力、绕射压力、辐射压力和波浪冲击压力诸分量。该方法的主要特点是给出了与船舶运动在动力学意义上相匹配的瞬时非线性压力分布。在上述研究工作的基础上，采用理论计算与模型试验相结合的方式，研究了船体表面水动压力的非线性特性。利用本文方法对某集装箱船进行了规则波中的船舶运动和水动压力的理论计算，并与船模水池试验所提供的多状态的压力分布数据相比较，得出船体表面瞬时压力的分布及其随航速和波浪参数变化的某些规律。哈尔滨工程大学博士学位论文关于斜浪中非线性船舶运动方程的求解:本文提出了按极小化原理确定斜浪规则波中船舶非线性运动响应的新方法。由于船舶在水平面内没有恢复力(矩)，导致时域计算中水平面内的船舶运动发散。如何克服这一困难，是斜浪中船舶非线性运动计算的一个关键性问题。本文提出的新方法可以保证获得斜浪中船舶非线性运动的稳定的周期解，从而进一步完善了斜浪中船舶非线性运动预报和波浪载荷计算的工程实用方法。关于斜浪规则波中非线性波浪载荷的计算:本文基于切片理论，考虑到船体非直舷、水下剖面形状的瞬时变化以及砰击等非线性因素，讨论了大波幅斜浪规则波中非线性流体力的时域计算方法。文中针对水平运动发散问题引入极小化原理求解非线性船舶运动方程，给出了一套完整的工程上实用的斜浪中船舶非线性运动响应与波浪载荷计算方法，并结合实船数值计算结果，讨论了各种非线性因素对流体力的影响。
徐贺[4]2012年在《钻井船波浪载荷研究及应用》文中认为随着全球范围对油气资源需求量的日益增加，人类对资源的开采已逐渐向深海推进。钻井船是中部开有月池开孔的特殊结构船舶，由于其机动性强，可变载荷大等优点，已经成为深水油气资源开发的主力装备。结构强度安全性是确保服役期间正常工作的基本前提条件，而波浪载荷的合理确定对结构设计安全性起着关键作用。本文通过对钻井船波浪载荷的分析研究，以期得到钻井船波浪载荷的分布特征，为船体结构强度校核提供合理的波浪载荷条件。具体研究了以下主要内容：首先，根据船体型线图，建立目标钻井船湿表面模型和质量分布模型。基于P-M波浪谱和北大西洋波浪散布图，使用SESAM软件系统中的Wadam和Postresp模块对钻井船无航速时两种装载状态下的线性波浪载荷进行长期预报。将计算结果与波浪载荷规范值进行比较。建立无月池开孔的钻井船湿表面模型。根据取消月池开孔后所增加的浮力调整质量模型，使两种模型的浮态保持一致，再利用Wadam、Postresp程序对目标船在无月池开孔的情况下进行波浪载荷预报。分析月池存在对波浪载荷沿船长分布的影响。其次，使用SESAM软件系统中的Wasim模块对目标钻井船两种装载状态下的有航速线性波浪载荷进行长期预报，航速范围取为0至12节，间隔1节。得出波浪载荷大小随航速的变化趋势。计及非线性效应，对目标船在零航速和设计航速下的波浪载荷进行预报，对比非线性结果与线性结果的差异。给定一系列不同波高的规则波，对目标船典型剖面位置的线性和非线性波浪载荷进行时历模拟。分析非线性效应影响的大小随波高的变化。最后，利用MSC.patran建立目标钻井船月池区域的叁个舱段有限元模型，根据ABS规范对其进行边界约束，根据装载手册中相应工况的装载情况对模型进行载荷施加。根据线性和非线性波浪载荷预报结果，利用MSC.nastran计算月池开孔范围的船体结构响应。根据ABS规范校核月池区域的船体结构强度。
刘文玺[5]2009年在《基于高阶面元的浮体运动与波浪载荷计算方法》文中研究表明本文以势流理论为基础,应用基于非均匀有理B样条(Non-Uniform Rational B-Spline,简称NURBS)的边界元法,在频域内,对船舶和海洋结构物的线性、二阶运动响应和波浪载荷进行计算；在时域内,结合浮体和系泊缆索的非线性响应计算方法,建立了浮体和系泊系统的耦合分析方法。首先建立了基于NURBS的边界元方法。对NURBS技术做了多方面的改进,并应用到复杂海洋浮体的构型和湿表面网格划分,结果表明,改进的NURBS技术,能够生成高质量的浮体外形和湿表面网格,而且效率很高。为应用扩展的边界积分方法去除不规则频率,在上述网格生成方法基础上,提出了进一步的网格改进措施。基于叁维线性势流理论,应用基于NURBS的边界元法,在频域内建立了求解浮体线性运动响应和波浪载荷的理论模型,并采用扩展的边界积分方法消除不规则频率现象。对频域内海洋浮体的一阶运动响应、一阶波浪力进行了计算,并与模型试验结果进行了对比分析,验证了基于NURBS的边界元方法是一种计算精度、计算效率都较高的新型数值计算方法。对边界条件采用泰勒级数展开,通过摄动展开分离级数建立频域二阶边值问题,而且此边值问题的计算域是不随时间变化的。对二阶问题中自由面的积分项进行量阶分析,讨论了该项忽略与否对计算难度、计算结果精度等的影响。将基于NURBS的边界元方法应用到浮体频域二阶运动响应和波浪载荷的计算,并用谱分析法计算海洋浮体的漂移运动,通过与文献中相似计算的比较可以看出,本文二阶问题的计算方法是可靠的。用叁维弹性梁理论将缆索模型化,并采用非线性有限元法对缆索的运动方程进行求解,得到了静态和动态问题中的缆索位移和张力响应,与文献值的对比表明,本文采用的缆索求解方法是有效的。在浮体和系泊系统的时域耦合分析中,研究并提出了一种预报浮体和系泊系统非线性运动响应和缆索张力的分析技术。考虑瞬时物面变化引起的各种非线性因素,在时域内建立浮体的非线性运动方程并求解。其中,入射波力和静恢复力按瞬时物面条件计算,辐射力和绕射力按浮体在瞬时平均湿表面为平衡位置做简谐振荡运动来计算。以叁维弹性梁理论为基础,采用非线性有限元法对缆索进行计算。将浮体的分析方法和系泊缆索的分析方法结合,建立了浮体和系泊系统非线性运动响应和缆索张力的耦合计算方法。对系泊浮体的固有周期、各种工况下大幅非线性运动、缆索张力等进行了计算,并进行对比研究,可以看出,本文的方法既适用于缆索小变形条件下,也适用于缆索大变形条件下浮体与系泊系统的耦合动力分析。
孙葳[6]2015年在《船舶大幅运动的叁维时域数值方法研究》文中指出船舶在复杂海洋环境中作大幅度摇荡运动时,其安全性和舒适性均会受到影响,严重的摇荡运动甚至会造成倾覆失事。因此,如何更加真实地反映航行船舶在波浪中的运动情况,更为合理、准确地预报波浪诱导运动及载荷,对保证船舶设计合理及运营安全具有十分重要的意义。本文基于叁维时域线性理论、弱非线性理论以及物面非线性理论,采用时域Green函数边界元法,建立了求解波浪中航行船舶水动力问题的计算模型。在此基础上,开发了叁维时域数值模拟程序,并开展了相应的数值验证工作。首先,对时域Green函数的数值计算进行了深入研究。时域Green函数波动项满足的四阶常微分方程在本质上是一个时变系统,本文针对这类系数矩阵为多项式形式的时变系统,提出了一种精细时程积分改进算法对其进行数值求解。该方法通过引入新变量拓展系数矩阵的维数,将线性时变系统向时不变系统进行了转化,然后采用精细积分方法对时不变的常微分方程进行数值求解。通过与解析值及其他常微分方程求解方法的对比,发现本文方法能够有效地计算叁维无限水深时域Green函数,且数值精度高、稳定性好。在实现时域Green函数精确数值计算的基础上,本文基于线性理论,建立了有航速辐射问题和绕射问题的水动力计算模型,并对叁维线性时域有航速问题的计算量及存储量作了简要分析。通过对Wigley船在迎浪规则波和长峰不规则波中以不同航速航行的波浪力及运动响应的预报,验证了叁维线性时域数值模拟程序在解决有航速问题时的可靠性和稳定性。然后,基于弱非线性方法,建立了 Froude-Krylov力非线性时域计算模型。此时,扰动速度势及流体扰动力仍在平均湿表面上求解,与线性时域计算模型相同;而入射波力和静水恢复力则通过入射波压力和静水压力在瞬时入射波波面下的浮体湿表面上积分得到。文中给出了两种瞬时网格更新方案,用于确定瞬时入射波面下的浮体湿表面网格,并采用波面修正方法计算面元中心点压力。以此为基础开发了一套计算程序,对船舶以不同航速在波浪中航行时的非线性运动响应进行了预报,考察了非线性因素及航速效应对运动结果的影响。最后,本文基于物面非线性理论,建立了物面非线性时域数值计算模型,旨在解决由小波陡入射波引起浮体大振幅运动响应的水动力问题。此时,扰动速度势在瞬时平均湿表面上求解。由于计算域随时间不断变化,本文引入一种适用于常规船型的瞬时网格更新技术对浮体湿表面进行重新剖分。每一时刻,水动力方程和运动微分方程通过瞬时物面条件进行耦合求解。应用上述物面非线性计算模型对潜体以及水面浮体开展了研究,分析不同航速及波浪条件下物面非线性因素对计算结果的影响。
李辉[7]2009年在《船舶波浪载荷的叁维水弹性分析方法研究》文中认为在船舶波浪载荷的预报中,随着大尺度、高航速、非常规船舶的出现,以及高强度钢、复合材料等在船舶工程上的应用,以平面流建立起来的二维方法、不计船体弹性效应的刚体模型与仅适用于低海况低航速时的线性假设,逐渐暴露出其局限性。本文主要围绕叁维自由面格林函数方法以及叁维Rankine源方法,研究并提出一套适合船舶运动与波浪载荷计算的叁维非线性水弹性分析方法。本文着重在以下几个方面进行了探讨。首先,对目前较为常用的船体干模态分析方法迁移矩阵法与有限元法进行了比较研究；在二维梁振动模型的基础上结合现有的叁维刚性船体湿表面网格划分方法,将船体的二维振动形式向叁维扩展,提出了一种快捷的叁维弹性体湿表面网格划分方法；为了满足Rankine源方法中在自由面布置奇点的需要,将基于累加弦长的叁次参数样条函数的船体湿表面网格划分方法加以拓展,提出了一种圆形自由面网格划分方法。其次,基于叁维势流理论,考虑船体结构的弹性变形,在频域内建立了适合求解中、低速航行船舶运动和波浪载荷的水弹性分析模型。‘结合弹性体叁维湿表面网格划分方法,采用源汇分布法求解流场速度势,在算得船体所遭受的各种波浪力后,建立起船体结构在波浪上的强迫振动方程,进而求解出船体结构各阶振动的主坐标以及剖面载荷。通过对大型散货船和集装箱船的计算,对该方法进行了验证,并对大型船舶的运动与波浪载荷的弹性效应进行了分析。再次,考虑物面变化引起的各种非线性因素以及砰击力的作用,提出了一种较为高效、实用的叁维时域非线性水弹性波浪载荷计算方法。为了解决船舶运动方程的斜浪发散问题,根据船舶操纵性理论,引入了PID自动舵模型。将舵力(矩)的函数表达式以系数矩阵的形式计入平衡关系式,建立了考虑操纵性影响的船舶运动方程。针对大型散货船,对自动舵模型的有效性和该时域水弹性方法的正确性进行了验证,并对波浪力、船体运动和载荷响应的非线性程度进行了分析。以大型集装箱船为例,计算了考虑砰击力后的主坐标响应和垂向波浪弯矩响应。最后,基于Rankine源方法,考虑船体结构在波浪作用下的弹性变形,提出了一种可以考虑航速效应的叁维时域水弹性分析方法。通过采用数值海岸使辐射条件得到满足,应用面元法将分布源积分方程化为二阶微分方程组并利用差分法对源强进行了求解,进而获得船体运动以及波浪载荷。通过一艘10000TEU集装箱船算例对该方法进行了验证,并对船舶波浪载荷的航速效应进行了分析。
葛菲[8]2004年在《非线性波浪载荷作用下多种应力成份组合的船体结构疲劳强度分析》文中提出随着船舶结构疲劳强度的问题日益突出,对船体结构主要失效模式之一的疲劳破坏的研究也就成为当前的一个热点研究方向。本文的主要目的是研究非线性波浪载荷作用下多种应力成份组合的船体结构疲劳损伤计算。为此,文中着重在下列几个方面进行了探讨。 首先,采用切片理论计算作用于船体结构上的线性波浪载荷(包括剖面弯矩及水动压力),按照谱分析法得到各个短期波浪诱导总应力(包括总弯曲应力及局部弯曲应力)范围的短期分布,应用S-N曲线和线性累积损伤理论分析船体结构在线性波浪载荷作用下多种应力成份组合的疲劳损伤。并在此基础上提出了在寿命期中对各工况分别引入一个等效规则波和对长期引入一个总的等效规则波这二种计算在线性波浪载荷作用下多种应力成份组合的船体纵向构件疲劳损伤的简化方法。 其次,在时域内计算船体总纵弯曲时的非线性波浪载荷,并考虑到船体的局部弯曲,由此得到包含多种应力成份的应力时历。对该应力时历进行雨流计数,并经统计分析获得应力范围和平均应力的二维联合概率,在损伤相等的条件下,建立应力范围的长期分布模型,并考虑平均应力的影响,计算出船体结构在非线性波浪载荷作用下多种应力成份组合的疲劳损伤。 进而,为简化船体纵向构件在非线性波浪载荷作用下计及多种应力成份组合时的疲劳损伤计算,文中提出了基于等效规则波概念的简化方法,将在不规则波中的疲劳累积损伤计算转化为损伤等效前提下的规则波中来计算。在此基础上,给出了长期非线性总纵弯曲应力范围Weibull分布的形状参数回归表达式,提出了一种实用计算方法。 最后,应用结构可靠性理论分析了在线性和非线性波浪载荷作用下,计及多种应力成分组合时,船舶结构疲劳寿命的统计值和可靠度,并分析了船舶结构在服役期内的最大允许应力范围和最大允许累积损伤。
付殿福[9]2009年在《非线性载荷下半潜式平台强度评估方法研究》文中认为半潜式平台是一种适用性广泛、自身性能良好的海洋能源勘探开发平台。为确保其结构的安全性,对平台进行结构安全评估是十分有必要的。半潜式平台的强度评估方法大致有两种:一种是设计波法,另一种是设计谱法。平台的运动响应分析方法分为频域线性与时域非线性两种方法;计算平台波浪载荷的方法也分为线性与非线性两种方法;对平台结构进行有限元计算时分为线性有限元法与非线性有限元法等;各个船级社规范对于强度评估标准也不尽相同。随着海洋工程的不断向深海挺进,有必要对上述各种非线性的方法进行研究。本文对上述问题进行了详细的论述,主要包括以下几方面内容:1.采用设计波法计算作用于半潜式平台上的波浪载荷。分别根据ABS与DNV规范确定设计波参数,对比计算结果并分析两种方法的差异。2.分别使用频域线性方法与时域非线性方法对该实例平台的运动进行预报,分析比较两种方法预报结果的异同。并且在频域线性方法中考察系泊系统的对平台运动与结构响应的影响;3.分别应用线性绕射理论和Morison方程计算大浮体和小尺度构件上的波浪载荷。并提出了一种便于工程实际应用的非线性波浪载荷计算方法,该方法基于对线性波浪载荷进行非线性修正进而得到非线性波浪载荷;4.对一现有半潜式平台,针对不同的工况组合,研究探讨最危险工况的载荷组合合理性,并进行整体结构的有限元分析;5.研究半潜式平台整体强度评估的原理、方法和准则,研究平台屈服、屈曲强度评估的技术细节。分别评估线性与非线性波浪载荷作用下的屈服、屈曲强度并对所得结果进行比较分析。
杨奕[10]2005年在《船舶运动预报方法研究》文中研究表明目前在船舶水动力学领域,广泛采用势流理论计算船舶在波浪中的运动和载荷响应。其中二维切片理论原理易懂,计算快捷,对船型的适用范围较好,且对船舶耐波性和载荷响应的预报精度能够满足工程需要而在船舶设计中得到普遍采用。对于船舶的频域中绕射力(矩)计算存在很多方法,但是各种方法没有系统的比较;另外,大量的船模试验和实船测量结果表明,船舶在大幅运动中的运动和作用在船体的载荷呈明显的非线性,由于实际问题的的复杂性,该领域至今仍有许多问题有待进一步探讨。本文着重研究船舶运动频域和时域预报方法的几个问题。 首先,基于二维切片理论,在频域内建立求解低航速航行时船舶的运动响应。应用扩展边界元积分方程解决由于传统源汇分布法存在的不规则频率现象。应用不同求解绕射力(矩)的方法,讨论其对船舶响应的影响。对几种船舶进行广泛的计算,并与模型结果进行对比分析。 其次,研究船舶在迎浪海况下的非线性运动。考虑瞬时湿表面变化引起的各种非线性因素,在时域内建立船舶的非线性运动方程并求解。其中入射波力和静水回复力按照瞬时湿表面时物面条件计算,辐射力按照含记忆效应的辐射势求解,绕射力的求解为线性频域方法所得。考虑占主导地位的入射波力和静水回复力的非线性因素,编制计算程序,对S-175零航速下的非线性流体力,非线性运动响应进行计算分析,并与S-175线性频域、线性时域、以及各种非线性方法计算出作用力和响应进行比较。 最后,应用含记忆效应的辐射势求解辐射力(矩),对于静水中的船舶,研究物体在船舶甲板上运动时的船舶的垂荡和纵摇运动响应,应用不同算法的得到的响应与试验值进行比较。
参考文献：
[1]. 高速船舶运动与波浪载荷计算的二维半理论研究[D]. 马山. 哈尔滨工程大学. 2005
[2]. 叁维时域非线性波浪载荷计算方法研究[D]. 杨骏. 中国舰船研究院. 2016
[3]. 船舶运动与波浪载荷计算的非线性方法研究[D]. 秦洪德. 哈尔滨工程大学. 2003
[4]. 钻井船波浪载荷研究及应用[D]. 徐贺. 哈尔滨工程大学. 2012
[5]. 基于高阶面元的浮体运动与波浪载荷计算方法[D]. 刘文玺. 哈尔滨工程大学. 2009
[6]. 船舶大幅运动的叁维时域数值方法研究[D]. 孙葳. 哈尔滨工程大学. 2015
[7]. 船舶波浪载荷的叁维水弹性分析方法研究[D]. 李辉. 哈尔滨工程大学. 2009
[8]. 非线性波浪载荷作用下多种应力成份组合的船体结构疲劳强度分析[D]. 葛菲. 哈尔滨工程大学. 2004
[9]. 非线性载荷下半潜式平台强度评估方法研究[D]. 付殿福. 哈尔滨工程大学. 2009
[10]. 船舶运动预报方法研究[D]. 杨奕. 哈尔滨工程大学. 2005
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