[优秀论文]航行船舶的非线性水弹性理论与应用研究.pdf

上海交通大学
博士学位论文
航行船舶的非线性水弹性理论与应用研究
姓名:田超
申请学位级别:博士
专业:船舶与海洋结构物设计制造
指导教师:吴有生
20070901
航行船舶的非线性水弹性理论与应用研究摘要船舶在大浪中航行时,其运动和波浪载荷均呈现明显的非线性;大角度刚体运动和瞬时湿表面变化对非线性波浪力的贡献,建立了大航行中船舶所受到的载荷以及由此引起的结构变形和破坏实质上都是一个动态的过程,利用传统的将水动力学问题与结构力学问题分开处理的方法具有一定的局限性,而从流固耦合的角度,建立大浪中航行船舶的非线性水弹性分析方法,深入研究与揭示大浪中航行船舶的安全性,不仅具有理论上的合理性和创新性,而且具有重要的工程应用价值。在过去的二十多年里,船舶水弹性力学理论和分析方法从二维发展到三维,从线性发展到非线性,并广泛应用到船舶与海洋工程中的流固耦合分析中,如大型船舶,高性能多体船和超大型浮体等的运动、载荷与结构响应评估等,逐渐发展成为一门具有广泛工程应用价值和发展潜力的新兴船舶力学学科分支。本文在三维船舶水弹性力学领域里开展研究工作,首先着力于继承已有的三维线性船舶水弹性分析方法欢潘耍,并加以发展和完善,更为严格地考虑了航速与定常兴波流场对船舶水弹性响应的影响;然后在浮体二阶非线性水弹性理论琈基础上,考虑航速和定常兴波流场的影响,并计及浪中航行船舶的三维非线性水弹性分析方法。完成的主要研究工作如下:蛞;毓舜八岳砺奂跋嘤κ捣治龇椒ǖ睦贩⒄棺
广义三维非线性水弹性运动方程中各二阶波浪作用力水动力系数的表湿表面变化与大角度刚体运动引起的非线性水动力,建立了大浪中航谙咝院头窍咝运苑治龇椒ǎ圆ɡ酥辛愫剿僮ち艏本文的工作,使得采用统一的方法,同时预报大浪中航行船舶况。并在,睦砺刍∩希悸遣ɡ中航行浮体周围流场的~阶速度势及其一阶响应对二阶水动力的贡献,推导了大浪中航行船舶的广义二阶非线性水弹性理论,并给出了达式。阅筒ㄐ苑治鲋械亩ǔA鞒〈矸椒ń辛俗芙幔岢隽艘种去奇虚拟源汇分布法,可以数值求解航行船体非均匀定常兴波流场速度势的高阶偏微分,以潜航椭球体为例进行了计算,经与理论解进行比较,对于没有尖角的光滑蓝面。验证了该方法的有效性。另外,利用龅谋呓缁址椒ǎ币阎狧贫瞬ㄔ格林函数及其一阶偏微分量,也可求得定常航行船舶流场速度势的高价偏导数。悸嵌ǔP瞬鞒〉挠跋欤⒄沽撕叫写暗娜咝运性力学分析程序,并以潜航椭球体,水面上航行的可变形半椭球体和臀@教至硕ǔP瞬鞒⒌A鞒∮刖攘鞒∧P对水弹性响应计算结果的影响。悸堑源爸芪Х蔷任忍瞬鞒〉挠跋欤⒓萍八彩行船舶的三维二阶非线性水弹性力学分析方法与程序,并以不规则波中航行的小水线面双体船为例,给出了计及二阶波浪力作用下的航行船体的变形、应力等结果。有航速航行的庠睾山辛死砺墼けǎ⒂胧匝榻峁辛比较。零航速浮体南咝院头窍咝运韵煊Τ晌?赡埽唤鲈谑细,
找延械哪筒ㄐ苑治鲋卸ǔA鞒〈矸椒ǎ岢隽艘恢秩影晌,发展了航行船舶的三维线性水弹性力学分析程序,对高性能双体和多体船舶的工程设计和应用,具有一定的参考价值。构疲劳分析方法,也具有重要的现实意义。为接近,和,的理论模型,而且在数值上较以前的工作潘耍怀滦炀Q厦艿乜悸橇撕剿俚挠跋臁1疚牡闹饕4葱碌闶牵奇虚拟源汇分布法,能够数值求解航行船体三维非均匀定常兴波流场速度势的高阶偏微分量,对一潜航椭球体的算例表明,数值预报结果与理论解吻合一致;状卧谌跋咝运苑治鲋校悸橇硕ǔP瞬鞒〉并利用移动脉动源格林函数,较严格地计及了航速对水弹性响应的影响;状谓⒘思萍岸ǔP瞬鞒∮跋斓暮叫写暗亩追窍咝水弹性力学分析方法,可同时预报任意形状浮体的兴波流场、在大浪中的运动、结构动载荷与动应力,并首次给出了随机波浪中航行船舶的三维非线性水弹性响应的算例,;状谓窍咝运岳砺塾τ糜赟的实船计算,并系统分析了其阻力、运动、载荷、变形、应力等结果,得出的结论最后,本文发展的非线性水弹性分析方法也同样适用于常规船型,这对我国船舶检验部门发展基于全船直接载荷计算拇褰关键词:水弹性,,,定常兴波势,小水线面双体船,面元法摘要¨

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