船艏底部砰击压力概率预报方法研究

论文摘要

船舶在恶劣海浪中航行时,经常会发生底部砰击,严重的底部砰击会造成船体局部结构的损坏甚至总纵强度的丧失,也是船舶改变航向、主动减速的重要原因。合理准确地预报船舶砰击特性对于船舶设计及航行都有着重要的现实意义。本文主要针对船舶砰击压力的预报方法开展研究。在Ochi预报方法基础之上,考虑船舶入水速度与波浪波面倾角对砰击压力系数的影响,提出直接预报方法。该方法主要包括三部分,首先,考虑船舶与波浪之间的非线性相互作用,采用Rankine面元法在三维时域中计算船舶在波浪中的运动响应,根据砰击发生条件统计得到砰击发生次数及砰击瞬时船波相对速度概率密度函数;其次,对船舶入水问题进行三维有限元建模,基于MSC.Dytran计算船舶以不同速度落入到具有不同波面倾角的波面上时的砰击压力系数;最后,采用蒙特卡罗法对砰击压力进行概率统计预报,用Weibull分布对砰击压力进行拟合,得到砰击压力的超越概率极值。本文通过对算例样船砰击压力的预报详细地说明了该方法的使用过程,得到了一些有意义的结论:(1)对于某些船型,考虑非线性成分时,船舶砰击发生次数和砰击瞬时船波相对速度概率密度函数的理论预报值与实际统计结果之间存在较大差别。在对船舶砰击压力进行预报时,需对船波相对速度概率密度函数进行修正,使其与实际统计结果更加吻合。船舶吃水与浪向角对砰击发生次数都有很大的影响。(2)砰击压力系数并不是一个只与船底剖面形状有关的常数,船舶入水速度和砰击瞬时波浪波面倾角对砰击压力系数都有很大的影响。船舶在波峰与波谷处与水面接触时,砰击压力系数最大;当波面倾角较大时,入水速度对砰击压力系数几乎没影响;波面倾角较小时,对于不同的预报点,入水速度对砰击压力系数的影响具有很大差异。(3)船舶砰击压力量值具有很大的随机性。航行时间较短时,砰击压力的超越概率极值随着时间的增加急剧地上升,随着时间的延长,极值压力增长趋势逐渐减缓。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景与意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 理论研究
• 1.2.2 实验研究
• 1.2.3 研究现状
• 1.3 本文主要工作及创新点
• 1.3.1 主要工作
• 1.3.2 主要创新点
• 第二章 船舶砰击压力预报方法
• 2.1 规范计算法
• 2.2 Ochi 预报方法
• 2.3 直接预报方法
• 本章小结
• 第三章 船舶运动响应计算
• 3.1 势流理论
• 3.1.1 有航速船舶的辐射问题
• 3.1.2 有航速船舶的绕射问题
• 3.1.3 入射势
• 3.1.4 波浪力的计算
• 3.2 船舶运动方程
• 3.3 砰击发生条件
• 3.4 算例分析
• 3.4.1 Wasim 简单介绍
• 3.4.2 不规则波浪的生成
• 3.4.3 船舶在波浪中运动响应的计算
• 3.4.4 砰击发生次数计数
• 3.4.5 浪向角和船舶吃水对砰击的影响
• 本章小结
• 第四章 砰击压力的确定
• 4.1 MSC.Dytran 计算原理
• 4.1.1 求解器
• 4.1.2 显式时间积分法
• 4.1.3 流固耦合技术
• 4.1.4 状态方程
• 4.1.5 Roe 求解器
• 4.1.6 边界与初始条件
• 4.2 三维有限元模型
• 4.3 模型的验证
• 4.3.1 波浪的生成
• 4.3.2 输入文件命令
• 4.3.3 入水冲击压力
• 4.4 计算砰击压力系数
• 4.5 砰击压力特点
• 本章小结
• 第五章 砰击压力概率预报
• 5.1 逆变换法生成随机数
• 5.2 破波原理
• 5.3 砰击压力概率统计分析
• 5.4 砰击压力极值
• 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 全文总结
• 6.2 研究展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文