随机波浪下的船舶大幅横摇和倾覆研究

船舶大幅横摇运动是非常复杂的非线性问题也是导致船舶倾覆的主要原因之一.该文通过对船舶非线性横摇运动进行分析,建立了船舶横摇运动微分方程,引入形状滤波器,将实际海浪序列表示为白噪声后通过这一形状滤波器输出.并运用马尔科夫过程理论,采用路径积分法,在时间域内求解相应的四维Fokker-Planck方程,得到了随时间演变的船舶横摇运动的转移概率密度,结合首次通过理论,求得船舶倾覆概率分布随时间的演变过程.将理论计算结果与模型试验结果进行比较,两者吻合较好.研究结果表明,路径积分法能用于预测船舶倾覆前持续时间的概率分布,因此可为船舶设计和稳性衡准提供相关的参考.     

瘫船稳性倾覆概率评估方法研究

国际海事组织(IMO)正在制定第二代完整稳性衡准,瘫船稳性作为五种失效模式之一,如何评估其倾覆概率是目前要解决的难点。该文首先基于复原力臂GZ曲线分段线性方法的概率评估方法,提出基于单自由度横摇运动方程对北大西洋波浪短期分布表进行直接计算,进而通过蒙特卡洛统计方法和波浪长期分布的权重对瘫船倾覆概率进行直接评估;然后采用国际标模2792船型,对瘫船稳性的两种评估方法进行了比较,并分析了初稳性高GM和有效波倾系数对倾覆概率的影响;最后针对某船开展了瘫船倾覆概率研究。结果表明,分段线性方法的倾覆概率评估结果比该文提出的蒙特卡洛方法结合波浪长期分布权重的概率直接评估方法保守,且其差别大小随着GM的增大而减小,但该文提出的直接概率评估方法耗时是分段线性法倾覆概率评估的许多倍。     

随机海浪下的船舶非线性横摇与安全池研究

船舶大幅横摇运动是复杂的非线性问题,也是导致船舶倾覆的主要原因之一.该文通过对随机海浪下船舶非线性横摇运动进行分析,建立了横摇运动微分方程,采用数值方法在时域内对微分方程进行积分,模拟了船舶横摇运动响应,并研究了—实船在随机海浪中安全池的破损情况,得出该船的生存概率,分析了不同有义波高和航速下生存概率的变化.研究表明,数值方法以及安全池理论可用于预测船舶在随机海浪中的生存概率,从而可为船舶稳性衡准提供相关的参考.     

随浪中船舶复原力计算和试验研究

目前国际海事组织第二代完整稳性衡准正在制定中,纯稳性丧失被列入五种稳性失效模式之一,随浪中复原力变化是纯稳性丧失薄弱性衡准和稳性直接评估的关键因素。该文以C11集装箱船为对象,对随浪不同波浪条件下的横摇复原力进行了试验测量,得到了不同横摇角度时的复原力变化,分析了不同波浪条件下复原力的变化规律;并开发波浪中复原力计算方法和程序,对随浪中船舶横摇复原力进行了计算分析,最后和试验结果进行了对比,有效验证了计算方法的准确性和有效性,为纯稳性丧失直接评估方法的实现奠定了基础,为船舶第二代完整稳性衡准的建立提供了技术支撑。     

“世越号”提升阶段双抬浮驳船系泊动力的计算

"世越号"是利用水面双驳船作为基础用安装在驳船上的液压提升系统打捞出水的沉船。在"世越号"被提升离开海底后,三条船的环境载荷都由两条驳船的系泊系统承担。两条驳船平行布置在"世越号"两侧,距离较近,有较强的多体水动力耦合效应。计算三条船的总环境载荷并不是单条驳船环境载荷的简单叠加。在"世越号"打捞工程设计阶段,进行了大量水池模型试验。应用试验结果,建立了含有矫正系数的多体耦合运动计算模型。用矫正的多体耦合运动计算模型算出的船舶运动与水池模型试验结果吻合度很高。应用矫正的多体耦合运动计算模型以及准静态系泊系统计算模型对整个"世越号"打捞系统进行时域计算,得到的系泊缆动态拉力与模型试验结果和现场实测值吻合得比较好,稍有保守。这套系泊力计算方法对于设计出的系泊系统是偏保守的,在设计阶段是比较合理的。     

三峡升船机下游导航墙系船柱强度分析

作为船舶停靠的必要设施,导航墙系船柱对停泊可靠性至关重要。以三峡升船机下游导航墙系船柱为研究对象,采用ANSYS Workbench有限元分析软件,建立了导航墙墙体与系船柱三维有限元模型;通过理论及有限元计算,分析了系船柱在船舶平稳靠泊、船厢开关门时靠泊以及大尺寸船舶复杂通航环境下靠泊的受力、应变及应力情况。结果表明,下游导航墙系船柱满足一般船舶过厢靠泊需求。研究成果可为三峡升船机上行船舶导航墙安全靠泊提供参考。     

装配式快速堵口临时堤坝的稳定性分析

为了研究利用装配式快速堵口装置进行汛期堤坝决口封堵的可行性和有效性,基于CFD软件Fluent建立了堵口装置形成坝体后的三维数值计算模型。通过模型试验验证数值计算方法的可靠性后,计算得到不同工况下水流对坝体的水平作用力和倾覆力矩。计算结果表明:水流力随着决口处流速、决口宽度和深度的增大而增大;堵口装置布置排数的增加也会使水流力略有增大,且这种影响随流速的增大而增大;水流作用引起的倾覆力矩对坝体的稳定性影响很小。     

破损船舶进水过程的时域计算研究

进水过程是影响破损船舶安全的三个主要问题之一。该文基于伯努利方程建立破损船舶进水过程的时域模型,用流系数修正破口的位置和船体的运动等影响,利用增加重量法求解浮态参数,采用梯形法积分计算进水体积和进水时间。通过对不同舱室、不同破损位置的进水过程进行时域计算,结果表明进水速度呈缓慢增大再减小直至最后为零的趋势,进水过程中的浮态参数变化平缓,进水时间和破口位置有关。开展破损船舶进水过程的时域计算,可为波浪中破舱稳性的研究奠定基础,为后续破舱稳性衡准的制定做好理论储备。     

浅窄航道会遇船舶水动力相互作用数值计算

该文应用CFD软件对两船在浅窄航道中会遇时的水动力相互作用进行数值研究,通过求解非定常RANS方程并结合RNG k-ε湍流模型,采用动网格技术及UDF进行船舶运动过程中的网格更新,对两船沿平行直线航行时的三维非定常黏性流场进行数值模拟,并对其相互作用水动力进行了计算。首先通过计算结果与试验数据进行对比,验证了数值方法的可行性和有效性;随后对四种船型在不同水深、航道宽度、两船航速比和船-船横向间距下的水动力进行了系列计算,通过结果分析得出了以上因素对两船会遇水动力相互作用的影响规律。     

镍矿砂液化演变过程的摇摆台试验研究

风浪中船舶剧烈的摇荡运动将导致运输船舱内的镍矿砂发生液化。液化后的镍矿砂易产生流动,不仅对船舶产生附加力矩,而且会随着船体摇荡运动的持续和运动幅值的增加,进一步导致液化镍矿砂的偏载现象。这种附加力矩及偏载现象使船舶稳性降低,严重影响船舶航行的安全性,某些情况下甚至导致船舶倾覆。许多装载镍矿砂散货船的海损事故(倾覆)表明,镍矿砂液化是船舶海上事故的主要原因。为了深入认识镍矿砂液化及偏载现象的机理,该文通过装载镍矿砂货舱模型的六自由度运动平台试验,详细分析了镍矿砂液化演变过程,测量了液化镍矿砂产生的动态倾侧力矩,并分析了镍矿砂偏载形成的原因。     

驶经桥墩船体非定常水动力相互作用数值预报

应用CFD软件对船舶通过桥区时的船体-桥墩水动力相互作用进行数值研究,通过使用动网格技术及UDF进行船舶运动过程中的网格更新,对船舶沿直线航线匀速驶经桥墩时的非定常粘性流场进行数值模拟,对桥墩诱导的船体非定常水动力进行数值预报,其中假设船舶航速很小,因而自由面兴波的影响可以忽略。以一艘集装箱船和一个垂直柱体桥墩模型为例,选取不同的船体-桥墩横向距离进行了数值计算,得到了作用在船体上的横向力和转首力矩时历曲线,分析了船体-桥墩横向距离对船体非定常水动力的影响。     

破冰船引航下极地船舶结构冰荷载的离散元分析

采用破冰船引航的方式可有效保障商船在极地冰区的航行安全。通过基于闵可夫斯基和原理的扩展多面体构造任意形态的海冰单元，同时发展基于扩展多面体单元的粘结失效模型模拟海冰的破碎过程，从而建立基于扩展多面体的离散元方法。采用扩展多面体离散元方法模拟船舶冰区航行过程中的船-冰相互作用，并分析船舶结构上的冰载荷。根据“雪龙号”船体结构模型，采用扩展多面体离散元方法模拟了单船破冰条件下的冰荷载，通过船舶抗冰设计中常用的冰阻力Lindqvist公式和Riska公式校核离散元计算结果。对比结果表明，扩展多面体离散元方法与相关公式计算结果相近，对船舶结构冰荷载的模拟精度较好。采用离散元方法计算了引航条件下破冰船和货船上的冰荷载，分析不同航速和船宽比条件下两船上的冰阻力大小和特点。扩展多面体离散元方法可有效用于船舶结构的冰荷载分析，其计算结果可为冰区船舶设计和航行安全提供重要参考。     

在役钢筋混凝土渡槽安全评价与病害处理

针对大型灌区中输水渡槽普遍出现的病害现象,结合某大型钢筋混凝土渡槽工程,进行现场质量检测分析,运用有限元软件模拟了渡槽在各工况下静、动力状态,对钢筋混凝土渡槽局部与整体的安全稳定性进行多角度科学的评价与病害分析,并提出了针对性的加固方案,在工程中成功应用与推广。现场质量检测分析和三维数值模拟相结合的方法能够更加科学地评价渡槽结构整体的安全稳定性,同时也为老旧渡槽的安全评价与病害处理提供一种新思路。     

摆动叶片式波浪能发电装置在船舶上的应用研究

介绍了摆动叶片式波浪能发电装置在船舶上的工作原理,基于线性波理论研究了装置的水动力学性能,推导出了装置中叶片波能拾取率的公式。基于Gambit和Fluent软件,在最优摆角的情况下,模拟仿真了装置模型在变流速下的转矩和轴向力,为分析装置的波能效率和抗风浪能力奠定了基础。通过对装置试验研究,得到了装置的平均波能拾取率约为4.37%。研究结果表明:该装置在船舶上应用良好,为波浪发电技术在船舶上的开发利用提供参考依据。     

THE NUMERICAL CALCULATION FOR THE STERN FLOW OF THREE DIMENSIONAL SURFACE SHIP WITH MULTI-PRO-PELLERS IN OPERATION

In this paper the complex structure and pattern of ship stern flow driven by multi-propellers is simulated numerically by using RANS equations with K-ε turbulence model and propeller lifting surface theory as essential research tool and coupling the computer code of ship stern flow to the computer code of propeller performance prediction through the medium of body force.A ship model with four propellers is selected as the numerical example.Detailed computational results are presented graphically and the qualitative and quantitative analysis is made. Finally,the comparison between the calculated result and the available experimental data is made.The agreement between them is satisfactory.     

锚杆格构梁节点荷载分配研究与优化设计

锚杆格构梁节点荷载分配在工程中常采用均分或利用Winkler弹性地基模型的无限长梁模式推导分配系数,但均不符合实际受力情况。因此,本文利用双参数弹性地基模型推导出有限长梁受集中力的内力解答。根据此解答再计算出节点荷载分配系数kT和kL,进而得到格构梁的内力。结合实际工程,把理论解与ABAQUS有限元软件模拟所得数值结果进行比较,验证了理论解答的正确性,并与Winkler地基模型解答相比较,证明双参数地基模型较Winkler地基模型有更好的精确性,该方法可优化锚杆格构梁设计。     

白鹤滩水电站左岸地下厂房支护优化设计

白鹤滩水电站地下厂房洞室群地质条件复杂。为了确保该大型地下洞室群围岩稳定,确定出合理的系统支护参数,根据工程类比初拟锚杆、锚索等系统支护参数,利用前期地质勘测成果,精确模拟了断层、层间错动带等大型地质结构面并根据实测地应力方向及数值对模型施加地应力,从而使计算模型更贴近实际。有限元计算结果表明:施加合适的系统支护参数,地下厂房高边墙最大变形量值由80~90 mm减少至50~60 mm,高边墙塑性区深度由支护前的约8~12 m减少到支护后的约5~7 m。经与监测数据对比分析可知,数值计算结果能比较客观地反映围岩变形的量级。施工期对特殊地质部位采取了针对性加强支护措施,确保了围岩稳定和施工安全。     

三峡库区滑坡涌浪作用下船舶锚链拉力试验研究

长江是我国最重要的内河航道, 号称“黄金航道”,航道内船舶数量众多,因装卸货物等原因处于锚泊状态的船只十分常见。三峡工程蓄水后,库区滑坡频发,滑坡产生的涌浪很可能使船舶锚链发生断裂,造成巨大的人身伤害和财产损失。目前主要采用理论分析和经验分析的方法对船舶锚链及受力进行研究,物理模型试验的研究分析较少,因而在设计锚链拉力时可能会与实际情况有较大出入。通过岩体滑坡涌浪物理模型试验研究不同工况滑坡体情况下位于滑坡附近河道弯道段和直道段船舶锚链拉力的变化情况,得到涌浪传播过程中船舶首尾锚链拉力的变化规律,分析得到不同波高、周期及水深情况下船舶锚链拉力的变化规律,运用多元回归分析得到最大锚链拉力的经验计算式。研究结果可为三峡库区船舶安全管理提供相应参考。     

武汉轨道交通名都车站深基坑有限元分析

为了保证地铁站深基坑的顺利施工,需要分析基坑土层压力对围护结构的影响。在武汉地铁名都站设计时,采用MIDAS-GTS岩土计算软件对深基坑受力情况进行了有限元模拟分析。通过对深基坑的水平位移、沉降、钻孔桩内力及支撑轴力等的分析,论证了基坑施工过程的安全性和稳定性。实际施工监测资料表明,监测数据与数值模拟结果一致,说明有限元分析可以作为设计分析的一种有效手段。     

A 3-D SPH model for simulating water flooding of a damaged floating structure

With the quasi-static analysis method, the terminal floating state of a damaged ship is usually evaluated for the risk assessment. But this is not enough since the ship has the possibility to lose its stability during the transient flooding process. Therefore, an enhanced smoothed particle hydrodynamics(SPH) model is applied in this paper to investigate the response of a simplified cabin model under the condition of the transient water flooding. The enhanced SPH model is presented firstly including the governing equations, the diffusive terms, the boundary implementations and then an algorithm regarding the coupling motions of six degrees of freedom(6-DOF) between the structure and the fluid is described. In the numerical results, a non-damaged cabin floating under the rest condition is simulated. It is shown that a stable floating state can be reached and maintained by using the present SPH scheme. After that, three-dimensional(3-D) test cases of the damaged cabin with a hole at different locations are simulated. A series of model tests are also carried out for the validation. Fairly good agreements are achieved between the numerical results and the experimental data. Relevant conclusions are drawn with respect to the mechanism of the responses of the damaged cabin model under water flooding conditions.