[发明专利]一种基于船波相对运动的砰击载荷预报方法

说明书

本发明公开了一种基于船波相对运动的砰击载荷预报方法，包括如下步骤：获取船型信息和计算工况信息；获取船体表面压力计算点位置处的砰击压力系数；采用理论计算或模型试验的方法，获取船体表面压力计算点的入水过程中的垂向相对位移和垂向相对速度，即获取船体表面压力计算点与波浪相对运动的时历曲线；根据船波相对运动的位移时历曲线，判断船体表面压力计算点的砰击发生时间；对于船体表面压力计算点位于水面以下的入水阶段的时间段，根据砰击压力的简化计算公式计算不同时刻的砰击压力值。该方法可基于理论计算或试验测量所得的船体与波浪的相对运动或相对速度信息，直接快速高效地计算出船体表面指定位置处的砰击压力载荷的时历曲线。

技术领域

本发明涉及船舶砰击载荷预报技术领域，特别涉及一种基于船波相对运动的砰击载荷预报方法。

背景技术

船舶在恶劣海况中航行时会产生六自由度摇荡运动，剧烈的垂荡和纵摇运动会使船体艏艉等部位发生频繁的出水和入水现象，船体在入水过程中会与波浪发生相互接触与撞击，进而导致砰击现象的发生。巨大的砰击载荷不仅会引起全船结构的颤振响应，还可能会引起局部结构的破坏。因此，准确预报与评估船舶在波浪中的砰击压力载荷是十分重要的，也是船体结构强度设计与评估的重要前提条件。

船舶砰击压力载荷的预报方法包括理论计算、数值模拟和试验方法。为了简化船舶与波浪的相互作用问题，研究者们往往将船艏部入水砰击问题与船舶在波浪中的运动问题分离开并对结构的入水问题进行了独立研究。例如，采用Wagner理论和von Karman理论可以估算二维楔形体和平板的入水砰击载荷；采用相似解等解析方法可以计算二维楔形体和三维回转体的入水砰击载荷；采用基于边界元法的势流理论和基于有限体积法的CFD技术可以计算更加复杂几何形状的物体与流体相互作用的砰击压力；采用船体局部几何模型或简化后的二维剖面楔形体模型开展落体试验可以测量物面上不同位置处的入水砰击压力。

为了更准确地预报船舶在波浪中航行时的砰击压力载荷，研究者们将船舶运动及波浪力的求解与砰击载荷的求解进行耦合计算，即在船舶运动控制微分方程中引入了砰击力的贡献，甚至还考虑了船体结构的水弹性振动对于砰击载荷的影响。迄今，相关的势流理论、CFD技术也已取得了显著成绩，并可以准确预报船舶运动响应与局部砰击载荷。另一方面，在船模的艏部外飘区域或底部区域安装若干个压力传感器，通过开展水池模型耐波性试验或波浪载荷试验也可准确测量船体表面上的砰击压力。然而，上述理论或试验方法中的砰击压力载荷的计算或测量较为复杂、难度较高、工作量较大。例如，在势流理论中需要采用基于边界元法的Wagner模型求解船体剖面在入水过程中的砰击压力；在CFD方法中需要求解RANS方程和连续性方程得到船体表面上的入水砰击压力；在模型试验中需要在船体外表面布置多个压力传感器并进行高频采样从而测量砰击压力。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺陷和不足，提供了一种基于船波相对运动的砰击载荷预报方法。该方法可基于理论计算或试验测量所得的船体与波浪的相对运动或相对速度信息，直接快速高效地计算出船体表面指定位置处的砰击压力载荷的时历曲线。

本发明的目的可以通过如下技术方案实现：一种基于船波相对运动的砰击载荷预报方法，包括如下步骤：

获取船型信息和计算工况信息；

获取船体表面压力计算点位置处的砰击压力系数；

采用理论计算或模型试验的方法，获取船体表面压力计算点的入水过程中的垂向相对位移和垂向相对速度，即获取船体表面压力计算点与波浪相对运动的时历曲线；

根据船波相对运动的位移时历曲线，判断船体表面压力计算点的砰击发生时间；

对于船体表面压力计算点位于水面以下的入水阶段的时间段，采用下述公式计算砰击压力值：

其中，P为砰击压力值，ρ为水密度，K为砰击压力系数；v为船体表面压力计算点与波浪的垂向相对运动速度，t为时间。