VLCC液舱晃荡仿真及结构强度评估方法研究

论文摘要

随着大型原油货轮(VLCC)、液化石油气船(LPG)及液化天然气船(LNG)等载液货船相继被开发应用，液舱晃荡问题成为载液货船结构设计过程中面临的一个共性问题。液货船在航行过程中，不可避免地会有液货舱部分装载的可能。当船体在波浪中运动的频率与液舱内液体振动的固有频率相近时，舱内液体将会发生剧烈的运动，晃荡发生了。晃动的液体将对液舱结构产生严重的冲击。因此，在载液货船的研发设计中，液舱晃荡分析及结构强度评估是一项非常重要的研究课题。本文的主要目的是研究具有工程实用性的用于大型油轮液舱晃荡仿真及结构强度评估的方法。为此，文中着重在下列几个方面进行了探讨。首先，本文阐述了船体六个自由度时历预报所采用的方法。在对现有的船体运动预报理论进行了简要评述后，选定更适合本文作为船体运动预报方法的二维线性切片理论；推导出了从整船船体运动时间历程到目标舱运动时历的相关公式；针对船体各自由度运动初始相位不同带来的问题，提出了初始位置归零的运动时历曲线修正方法。其次，分析了DNV基于压力的液舱晃荡分析方法，指出该方法存在的问题，提出了以短期搜索、长期分析和流体结构耦合响应分析为流程的液舱晃荡仿真及结构强度评估方法。并在本文方法中引入时间和空间放大技术和体积模量减缩技术，缩短了仿真时间又能够得到关键部位的应力分布的细节，避免了对整舱结构进行流固耦合分析的困难。同时给出了三个短期搜索和长期分析的模型方案。根据舱内流体流动的特点和目前大型油轮液舱布置的特点，采用二维模型对大型油轮进行晃荡的短期搜索和长期分析，进一步提高仿真效率，可以在技术设计阶段充分考虑晃荡对结构的影响，而且可以进行结构设计的不断改进，得到最优化的结构设计。在此基础上，对一条大型油轮进行了液舱晃荡仿真和结构强度评估，按本文的方法，工程实践了VLCC液舱晃荡数值分析的全过程。通过对结果的分析，得出了一些供设计参考的有益结论。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题的背景、目的和意义
• 1.2 国内外晃荡研究方法综述
• 1.2.1 理论研究概述
• 1.2.2 数值分析概述
• 1.2.3 试验研究概述
• 1.3 晃荡的防止与利用
• 1.4 本文的研究内容和创新点
• 1.4.1 本文的主要研究内容
• 1.4.2 本文的创新点
• 第2章 液舱晃荡模拟仿真的基本理论和关键技术
• 2.1 流体运动描述 ALE方法
• 2.1.1 三维 Descartes直角坐标系中的流体力学方程组
• 2.1.2 积分形式守恒方程的离散
• 2.1.3 ALE算法的一个循环
• 2.1.4 网格运动控制
• 2.2 结构有限元的显示时间积分
• 2.2.1 显式中心差分
• 2.2.2 显式积分的步长控制
• 2.3 流固耦合
• 2.3.1 一般耦合
• 2.3.2 任意拉格朗日欧拉（ALE）耦合
• 2.3.3 一般耦合与 ALE耦合的比较
• 2.4 液舱晃荡数值模拟软件概述
• 2.4.1 软件概述—MSC.Dytran
• 2.4.2 材料特性描述
• 2.4.3 边界条件和初始条件
• 2.5 本章小结
• 第3章 船体在波浪中运动时历响应及相关液舱运动条件研究
• 3.1 概述
• 3.2 船舶运动计算方法研究综述
• 3.3 船舶运动时间历程计算
• 3.3.1 规则波中船舶运动预报
• 3.3.2 不规则波中船舶运动
• 3.4 液舱运动时间历程
• 3.5 运动初始位置修正
• 3.6 本章小结
• 第4章 基于压力的液舱晃荡分析方法
• 4.1 舱室内液体晃荡的一般特性
• 4.2 计及晃荡控制的液舱结构设计
• 4.3 基于压力的液舱晃荡分析方法
• 4.3.1 各船级社用于的晃荡直接计算方法概述
• 4.3.2 基于压力的液舱晃荡分析方法
• 4.4 基于压力的晃荡响应评估方法存在的问题
• 4.4.1 模型试验存在的不确定性
• 4.4.2 数值仿真中存在的不确定性
• 4.5 本章小结
• 第5章 液舱晃荡仿真与结构强度评估的耦合方法
• 5.1 液舱晃荡仿真与结构强度评估耦合方法的流程
• 5.2 最严重冲击工况的确定
• 5.3 时间放大与空间放大技术
• 5.3.1 时间区间放大
• 5.3.2 空间部位放大
• 5.3.3 耦合分析流程
• 5.4 流体体积模量减缩
• 5.4.1 计算模型描述
• 5.4.2 结果分析
• 5.5 耦合分析流体域初始条件的确定
• 5.5.1 基本变量
• 5.5.2 映射方法
• 5.6 计算模型方案
• 5.6.1 短期分析 3D-长期分析3D方案
• 5.6.2 短期分析 2D-长期分析3D方案
• 5.6.3 短期分析 2D-长期分析2D方案
• 5.6.4 算例分析
• 5.7 矩形液舱晃荡试验的仿真模拟
• 5.7.1 试验模型和装置简介
• 5.7.2 试验过程
• 5.7.3 仿真计算和结果分析
• 5.8 本章小结
• 第6章 VLCC液舱晃荡仿真及结构强度评估
• 6.1 船型资料
• 6.1.1 主尺度
• 6.1.2 液舱总布置
• 6.2 流体固有振动周期的计算
• 6.3 工况筛选
• 6.3.1 分析舱、航速、航向及装载的确定
• 6.3.2 海况选择
• 6.4 2D-2D晃荡仿真
• 6.4.1 短期搜索模型
• 6.4.2 长期分析模型
• 6.4.3 结果分析
• 6.5 耦合分析
• 6.5.1 耦合模型的建立
• 6.5.2 仿真结果分析
• 6.6 结构强度评估
• 6.7 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢