[发明专利]一种斜浪下船艏非对称砰击载荷的确定性方法

说明书

本发明涉及一种斜浪下船艏非对称砰击载荷的确定方法，该方法包括以下步骤：1)将计算模型简化为刚体；2)简化计算模型波浪载荷的求解；3)建立波浪下计算模型重心处六自由度运动方程；4)建立计算模型三维空间的相对运动预报模型；5)建立二维剖面多自由度非对称入水砰击模型；6)应用VOF方法模拟非对称入水砰击过程，预报砰击载荷。目前船体砰击载荷预报中仅考虑垂向运动预报导致砰击载荷的预报是对称的。本发明能够同时考虑船体的垂向、横向和橫摇运动，弥补目前船体砰击载荷预报中无法充分考虑非对称运动形式的缺陷，提供一种复杂海洋环境下船体砰击载荷确定的高精度方法，为船体砰击强度的进一步设计提供解决方案。

技术领域

本发明涉及流体力学领域，尤其是一种波浪下船体砰击载荷的确定性方法。

技术背景

由于波浪和船舶的相互作用，船体艏部经常发生砰击现象。这种砰击会造成船体振动、 减速，在严重情况下甚至直接破坏船体结构。船体砰击强度是船舶结构设计中的一个重要问 题，然而由于海洋环境的高度随机性和砰击过程中自由面的强非线性，砰击载荷的预测是一 个非常具有挑战性的难题。

为了简化船体砰击问题，通常引入切片理论，将其转换为简单的二维入水问题。对于刚 性体入水砰击的预报目前主要分为势流理论和计算流体力学两类方法。基于势流理论的方法 在处理复杂的自由面上存在数值困难，难以考虑更为复杂的流体现象比如流动分离，空气流 通等。而基于计算流体力学方法虽然能够处理这些复杂的流体形式，但在自由面的重构，计 算的精度和收敛性问题上仍有待进一步地提高。

与入水问题相比，船体砰击载荷需要考虑波物相互作用，问题更加复杂。为此通常采用 二维模型结合耐波性理论进行预报，近年来也有考虑三维效应的预报方法，但限于计算量过 大，尚未普及。尽管入水冲击理论和耐波性理论有了很大的发展，但在实际船体砰击载荷的 预报中，集中在迎浪对称船体的砰击情况，仅计及了垂向速度的影响。然而,由于航向和复杂 的海洋环境，斜浪下的船体砰击现象更为常见，此时船体的横向速度和橫摇运动会对载荷重 要影响。

鉴于斜浪下的船体砰击，波浪和船舶的非对称运动对砰击载荷的预测精度有很大影响， 本研究提出一种斜浪下船艏非对称砰击载荷的确定性方法。首先基于耐波性理论计及波浪质 点效应和不对称的船体运动，获得船体砰击速度的运动时历，然后通过计算流体动力学方法 计及复杂流动形式(流动分离和空气效应)进行砰击载荷的预报。相比于大多数研究中仅考虑 了垂向相对速度的影响，本方法在预报船体砰击载荷时，计及了横向速度和横摇运动的影响， 这在斜浪情况下更能反映真实的砰击载荷。本发明丰富了砰击载荷预报的形式，而且多运动 因素的综合考虑为载荷预报的有效性提供了保障。

发明内容

本发明目的是提供一种斜浪下船艏非对称砰击载荷的确定性方法，弥补目前船体砰击载 荷预报中无法充分考虑非对称运动形式的缺陷，提供一种复杂海洋环境下船体砰击载荷确定 的高精度方法。

为实现发明目的，本发明采用如下技术方案：

(1)、忽略航行中波浪载荷对船体结构变形的影响，将船体简化为刚体模型，根据牛顿第 二定律，得到船体重心处运动模型的一般形式为

式中，M为广义质量矩阵；F(t)为船体周围流体载荷；η(t)是刚体重心的运动。

(2)、简化计算模型波浪载荷的求解。假定流体域满足Laplace方程，流域包括四个边界： 底边界S_B，自由表面边界S_F，物面边界S_S和截断边界S_R。利用三维势流理论，刚体模型中 基本的控制方程和边界条件的数学表达如下：

[D]:

[B]:

[F]:

[S]:

[R]: