[发明专利]一种冰区航行船舶流固耦合的CFD–FEM–DEM模拟方法

权利要求书

1.一种冰区航行船舶流固耦合的CFD–FEM–DEM模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、在FEM求解器中建立船体结构模型；

S2、在CFD求解器中建立数值水池模型；

S3、在DEM求解器中建立浮冰结构模型；

S4、设置CFD–FEM–DEM六向流固耦合的数据传递方法，使CFD、FEM、DEM三个求解器的任意两者之间都进行双向耦合并相互传递数据；

S5、程序运行求解，运行三种求解器进行数值模拟计算，输出结果数据。

2.根据权利要求1所述的冰区航行船舶流固耦合的CFD–FEM–DEM模拟方法，其特征在于，步骤S1包括：

建立船体结构的三维有限元模型；

船体结构有限元网格划分；

船体结构材料属性定义，定义各类结构单元的质量、密度、刚度、弹性模量、泊松比以及结构阻尼；

施加约束和载荷，结合船体运动自由度对网格节点施加位移约束，根据网格所受载荷类型施加相应载荷。

3.根据权利要求1所述的冰区航行船舶流固耦合的CFD–FEM–DEM模拟方法，其特征在于，步骤S2包括：

建立水池流体域，水池流体域为长方体空间域，由4个侧壁面、底面以及顶面，共6个面围成；

建立船体外壳的几何模型，设置船体参数及其在流体域中的初始位置；

建立浮冰的几何模型，设置浮冰参数及其在流体域中的初始位置；

采用流体体积法将水池流体域划分为水和空气两部分；

对流体域进行网格划分，并在自由面进行网格加密；

设置网格变形方式，分别采用重叠网格和变形网格技术模拟船体运动和结构变形，实现网格的混合变形；

设置边界条件，水池流体域的4个侧壁面和底面采用速度入口，顶面采用压力出口，船体物面采用无滑移壁面。

4.根据权利要求1所述的冰区航行船舶流固耦合的CFD–FEM–DEM模拟方法，其特征在于，步骤S3包括：

建立浮冰的几何模型，确定海冰类型和几何尺寸；

确定浮冰的材料模型，定义各项参数，包括密度、压缩强度、拉伸强度、弯曲强度、剪切强度、弹性模量以及泊松比；

将浮冰结构离散生成球形颗粒，定义球形颗粒单元的质量和大小并将球形颗粒单元进行粘结排列；

确定浮冰单元的接触模型和断裂模型。

5.根据权利要求1所述的冰区航行船舶流固耦合的CFD–FEM–DEM模拟方法，其特征在于，CFD求解器用于模拟数值水池波浪场以及海洋流体流动，FEM求解器用于模拟船体结构在流体力与浮冰撞击力作用下的运动和结构变形，DEM求解器用于模拟浮冰运动与受力情况。

6.根据权利要求1所述的冰区航行船舶流固耦合的CFD–FEM–DEM模拟方法，其特征在于，步骤S4具体包括：

设置CFD求解器与FEM求解器之间的耦合方法；

设置CFD求解器与DEM求解器之间的耦合方法；

设置FEM求解器与DEM求解器之间的耦合方法。

7.根据权利要求6所述的冰区航行船舶流固耦合的CFD–FEM–DEM模拟方法，其特征在于，设置CFD求解器与FEM求解器之间的耦合方法具体为：

在CFD–FEM双向耦合中，CFD求解器将作用于船体表面上的流体压力和剪切力传递给FEM求解器；FEM求解器根据外部流场力、刚体惯性力、结构弹性力对船体结构进行动力分析，并将所得到的船体运动和变形反馈给CFD求解器，用于更新流场信息；

FEM模型中的各个网格上的流体力通过高斯面积分得到，每个高斯点处的流体压力定义为与其距离最近的CFD体网格节点处的压力值；CFD体网格节点的位移和变形则通过其周围FEM网格节点的位移的形函数插值获取。