﻿ 三维实船首部结构入水砰击载荷预报
 舰船科学技术  2016, Vol. 38 Issue (12): 35-38,47 PDF

1. 江苏科技大学 船舶与海洋工程学院, 江苏 镇江 212003 ;
2. 上海船舶研究设计院, 上海 201203

Prediction of the slamming pressure on a 3-D structure of the bow into the water
ZHANG Jian1, LIU Hai-dong1, YOU Yun2
1. School of Naval architecture and Ocean Engineering, Jiangsu University of Science and Technology, Zhenjiang 212003, China ;
Abstract: Firstly, based on the method of numerical simulation, the water entry of 3-D Axisymmetric Structure was studied. Comparing the numerical simulation and model test results, verify the numerical simulation method was used to study the feasibility of the water problem. Secondly, the water entry of 3-D structure of the bow was studied, the relationship of the velocity、the curvature of the structure on the pressure of the bow entry into the water was studied, and a formula was provided to predict the slamming pressure of the bow structure.
Key words: 3-D Axisymmetric Structure     3-D structure of the bow     slamming pressure     predict formula
0 引 言

1 三维回转体可行性验证 1.1 有限元模型

 图 1 三维回转体模型 Fig. 1 3-D model of the rotator

 图 2 三维回转体有限元计算模型 Fig. 2 3-D finite element calculation model of the rotator

x 轴向右为正，y 轴向上为正，x 轴上部分流场为空气域，采用理想气体本构单元。下部分为水域，流场为无限深广，采用无粘性、可压缩线性流体本构关系的材料填充这些单元。初始时刻，回转体位于空气域内，距离水面一定距离，并且以一定的速度V 撞击水面。计算区域四周设置为刚体墙。运用动网格技术，设定回转体下降速度为 5.2 m/s。

1.2 数值仿真模型验证

2 典型实船船首砰击载荷预报分析—刚性体 2.1 有限元模型

 图 3 实船船首有限元计算模型 Fig. 3 Real ship bow finite element model

2.2 数值仿真结果及分析 2.2.1 空气垫作用

 图 4 纵向与横向入水示意图 Fig. 4 Schematic diagram of longitudinal and transverse

 图 5 10 号站位中心测点压力 Fig. 5 Pressure of 10 station center point

 图 6 9.5 号站位中心测点压力 Fig. 6 Pressure of 9.5 station center point
2.2.2 曲率对砰击压力的影响

Chuang[6]在二维结构入水理论和试验研究的基础上对具有纵向倾角的船体结构入水砰击进行了计算，通过计算船体表面法向速度的波面法向分量确定有效砰击角。本文在二维结构入水砰击过程数值研究的基础之上，对纵向和横向曲率变化都较大的实船船首的入水砰击压力进行了计算。

 图 7 砰击压力随纵向曲率变化曲线 Fig. 7 Slamming pressure with the curvature of the longitudinal change curve

 图 8 砰击压力随横向曲率变化曲线 Fig. 8 Slamming pressure with the curvature of the lateral change curve
2.2.3 速度对砰击压力的影响

 图 9 不同站位下砰击压力随速度变化曲线 Fig. 9 Slamming pressure changed with speed at different stations curve
2.3 砰击载荷预报公式

 $\begin{array}{*{20}{c}} P = (-66.13{{\rm e}^{0.006048\alpha }} + 66.33{{\rm e}^{0.005976\alpha }}) \times \\[5pt] \!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\! {{\rm e}^{(-0.00025\alpha + 0.0061\alpha + 0.3206)v}}{\text{。}} \end{array}$ (1)

 图 10 仿真三维曲面图 Fig. 10 Simulation of 3-D surface chart

 图 11 拟合三维曲面图 Fig. 11 Fitting of 3-D surface chart
3 结 语

1）通过对三维回转体结构的入水砰击压力数值计算结果和 Peseux 试验结果的对比，表明利用 Dytran 软件对三维实船首部结构进行数值仿真研究可行；

2）无论是横向还是纵向，结构入水初期，底部与液面之间明显存在空气垫，随着结构入水的深入，空气会沿着结构曲率变化逐步向两边逃逸。通过仿真，在相同速度时的同一站位具有不同的砰击压力，说明了空气垫的存在真实，并且随着纵向曲率的变化明显。

3）通过对三维刚性船首入水砰击压力进行了数值模拟研究，发现入水速度、结构曲率对表面的砰击压力都有一定的影响。总体而言，砰击压力峰值随入水速度的增加而增加，随角度的增加而减少。并且在数值度算的基础上，提出与入水速度和曲率相关的刚性船首的砰击载荷预报公式。

4）在对三维实船首部结构入水的仿真计算的基础上，提出对于不同曲率角度、不同入水速度的峰值预报公式，并给出其适用范围，该公式可快速预报实船结构表面上的压力峰值。

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