流固耦合船体结构振动计算研究

本文基于水弹性理论，对船体结构的流固耦合振动问题进行了研究，计算分析了波浪中的船体结构振动的固有频率及响应，取得了一些有价值的结果，为实际的船舶设计提供了一定的参考依据。     

宽扁肥大船型波激振动响应研究

宽扁肥大船型由于其较"柔"的结构特性极易引起高频持续的波激振动响应,同时显著提高了应力幅值水平及循环次数,极大影响了船体结构安全性与可靠性。采用非线性水弹性时域计算方法以及模型试验方法对某艘宽扁肥大船型的波激振动响应特性进行分析;验证了该理论预报方法的有效性及可靠性,并讨论了其高阶波激振动响应对总载荷水平的贡献程度,表明在某些遭遇频率下其波激振动响应较大。在宽扁肥大船结构设计及审核阶段,必须考虑其波激振动成分的影响。     

船舶波浪载荷与砰击载荷的大尺度模型水弹性试验研究

波浪诱导船体梁的水弹性振动及外飘砰击载荷是船舶设计建造中所重点关注的结构强度及载荷响应问题。现有的船舶波浪载荷水池模型试验存在尺度效应明显、波浪环境不真实、模型航行范围受限等缺点。为此,提出了实际海浪环境下船舶大尺度分段自航模型的波浪载荷及砰击载荷试验技术,并详细介绍了大尺度分段模型水弹性试验设计及数据分析方法。介绍了弹性模型龙骨梁的设计及船体湿模态测试分析方法,基于近海测试数据分析了实海况下船舶波浪载荷与水弹性振动的短期预报及响应统计值,研究了三维海况下艏部砰击诱导的瞬态冲击载荷及全船颤振响应特性。     

基于褶积积分的气囊支撑船体结构振动响应研究

根据船舶气囊下水岸滑过程中船体与气囊之间的相互作用,在气囊受力分析的基础上推导出气囊等效弹性系数K;将船体和气囊等效为MKC振动系统,建立船体动力响应的计算模型。本文针对气囊下水过程中船体结构的振动响应研究提出一种求解思路,即不同于常用的傅立叶展开求解,将褶积积分运用到有阻尼受周期激励作用的振动响应求解中,推导出响应极值的求解表达式。根据某散货船的实际下水数据进行数值模拟计算,并与理论分析结果进行比较分析。另外,从下水速度、气囊工作高度等几个方面分析响应的变化规律,对气囊下水方案参数的确定具有实用价值。     

水下爆炸作用下弹塑性船体梁整体运动模型及损伤特性

针对水下爆炸作用下舰船整体运动响应的理论预报问题,将船体结构简化为等截面直梁,以炸药在船体梁中部正下方爆炸工况为研究对象,将水下爆炸载荷压力曲线划分为5个典型阶段,建立了冲击波和气泡联合作用下船体梁整体运动的简化理论模型,分别研究了船体梁全弹性和弹塑性运动模式,特别分析了梁进入塑性运动后反复加载、卸载的响应过程,最后结合船体梁模型水下爆炸实验结果对该理论方法进行了验证,同时对比分析了爆距、梁长等参数变化对梁整体运动响应的一般影响特性。研究表明:所建立的水下爆炸作用下船体梁整体运动响应理论模型能够反映船体梁发生整体弹性和塑性运动时的响应特征;当水下爆炸近距发生于梁中部正下方,且爆炸气泡第一次脉动频率与梁一阶湿频率相近时,船体梁更容易发生整体中垂损伤。     

不同浪向下超大型船舶载荷响应特征的模型试验研究

探寻超大型船振动响应随不同浪向的变化规律对预报真实海况和后期的结构评估具有重要意义。在拖曳水池对某超大型集装箱船进行了分段船模斜浪试验,详细介绍了船模设计原则和斜浪试验测试系统,并通过改变船模分段数量来探究船体弹性效应对振动响应的影响,结果表明船体自身的弹性效应对颤振影响很大,船体固有频率小,更容易出现颤振现象。研究了各浪向下的弯矩响应和砰击压力时历曲线,并对不同成分的弯矩响应和砰击压力随浪向和波长船长比的变化规律进行了分析,经分析发现,迎浪是发生高频颤振最严重的浪向,而斜浪时的最大弯矩多发生在λ/(L·cosβ)=1.0附近。相对于低频波浪弯矩,高频载荷响应对浪向的变化更加敏感。     

深水桥梁墩水耦合振动试验研究与数值计算

为研究深水桥墩动力特性以及动水压力分布规律,开展了本次墩水耦合振动台试验。通过比较试验结果与ANSYS-CFX计算结果验证了试验数据的有效性。通过数值拟合得到了动水压力沿桥墩截面周边以及水深的变化规律。提出附加刚度法对有水桥墩弹性振动问题进行数值模拟,结果表明:附加刚度法计算结果与试验结果相符,且能较好的解释实验原理;桥墩基频会随着水深的增加而增大,桥墩的响应随着水深的增加而减小;附加刚度法能较好地模拟深水桥梁墩水耦合弹性振动行为。     

严重段塞流引起的海洋立管振动响应

基于改进的严重段塞流瞬态数学模型和平面刚架理论,建立严重段塞流海洋立管耦合振动数学模型,对数学模型进行求解,研究了严重段塞流引起的海洋立管振动响应。数值模拟过程中,采用欧拉法计算严重段塞流流动参数,利用Galerkin法对立管结构动力学方程进行有限元离散,Newmark-β法求解离散方程。为了提高计算效率和精度,采用了变时间步长逐步积分方案。将数值模拟结果与实验数据进行对比,验证了数学模型和数值方法的准确性。对严重段塞流引起的立管系统位移响应、内力和支承力变化进行了深入分析。结果表明:立管系统的振动响应、内力变化规律与严重段塞流的周期性特征密切相关;弹性基础可以极大降低管道结构的振动幅度及内力,尤其是下倾管的弯曲内力;上升管的高频振动幅度较大,轴力和弯曲内力变化也较大。严重段塞流引起海洋立管振动响应的分析对海洋立管设计及其支承防护具有重要的指导意义。     

均匀湍流诱发的侧斜螺旋桨的随机振动特性研究

根据湍流统计理论和随机振动理论,研究了一个弹性侧斜桨-轴系统的振动响应。首先将螺旋桨沿半径方向划分为许多条带,通过相关分析法计算了均匀湍流作用在螺旋桨面上的非定常力谱,得到压力谱的空间分布;然后把条带压力谱映射到每个条带的点上,根据随机振动理论求解系统的弹性振动响应,并与刚性桨的计算结果进行对比;最后通过改变系统动力学参数,分析弹性、阻尼等因素对螺旋桨随机振动响应的影响。结果表明,轴系材料越软,桨叶材料越刚硬,湍流引起的随机振动响应越小;增加系统的阻尼可以明显降低系统固有频率附近的响应。为进一步研究螺旋桨的减振降噪打下基础。     

油气水三相段塞流引起的海洋立管耦合振动响应

海洋立管是海上油气集输系统的重要组成部分，用于连接海底油气井口与海上油气集输站。在油气储运工程中，海洋油气集输介质多为油气水三相流体。为了研究油气水三相流海洋立管系统在严重段塞流作用下产生的耦合振动问题，进行了数值计算与实证研究。基于多相流体力学与动力学理论，构建了油气水三相严重段塞流模型和海洋立管结构动力学模型，结合这2个模型，模拟了立管耦合振动响应过程，并设计了下倾管倾斜角度为3°的L型油气水三相流立管系统进行实验。对模型计算值和实测值进行对比，结果表明：所提出的耦合振动响应模型比现有严重段塞流瞬态数学模型更适用于油气水三相段塞流引起的海洋立管耦合振动响应问题的研究，计算结果与实验结果较吻合；立管底部压强与底部位移呈周期性变化，且变化周期基本一致；流体压强是引发立管系统耦合振动响应问题的关键因素。研究结果为油气水三相流海洋立管系统在严重段塞流作用下的耦合振动响应特性分析及其结构设计提供了参考。