[发明专利]一种单向耦合CFD与模态叠加的水弹性方法及系统

权利要求书

1.一种单向耦合CFD与模态叠加的船舶水弹性方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1，在CFD求解器中建立刚性船体流域模型，对所述刚性船体流域模型进行流域网格离散化，并设置物理参数、初始条件、边界条件；

步骤S2，在FEM求解器中建立船体结构三维有限元模型，对所述船体结构三维有限元模型进行结构网格离散化，以计算船体自由振动时的固有频率和振型，并对结构网格施加约束；

步骤S3，构建流域网格向结构网格的信息单向耦合匹配方法，使每个流体网格与其最佳结构单元网格相关联；

步骤S4，在所述CFD求解器中对预设船体进行模拟，输出预设船体表面压力场以及预设船体运动的时历值；

步骤S5，通过所述信息单向耦合匹配方法和模态变换将所述预设船体表面压力场传递到所述船体结构三维有限元模型中，并对模态运动方程进行数值叠加，得到并导出预设船体结构的实时响应数据。

2.根据权利要求1所述的单向耦合CFD与模态叠加的船舶水弹性方法，其特征在于，所述CFD求解器用于模拟数值水池的波浪场以及船体外部周围区域的流体流动，得到船体表面压力场及船体运动时历，所述FEM求解器用于模拟波浪力作用下船体的结构变形、弯矩及剪力。

3.根据权利要求1所述的单向耦合CFD与模态叠加的船舶水弹性方法，其特征在于，所述步骤S1具体包括：

步骤S101，在所述CFD求解器中建立水池流体域，其中，所述水池流体域为长方体空间域，由4个侧壁面、底面和顶面围成；

步骤S102，建立船体CAD三维实体模型，将所述船体CAD三维实体模型与所述水池流体域进行布尔减运算，得到计算域，其中，所述船体CAD三维实体模型包括船体外板和甲板；

步骤S103，设置所述船体CAD三维实体模型的六自由度、重量、重心位置和转动惯量，以及所述船体CAD三维实体模型在所述水池流体域中的位置；

步骤S104，采用流域体积方法将所述计算域划分为上部空气层、自由液面层和下部水层；

步骤S105，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所述船体CAD三维实体模型的运动和结构变形，实现网格的混合变形；

步骤S106，对所述计算域进行流域网格离散化，并在所述自由液面层和所述船体CAD三维实体模型进行加密处理；

步骤S107，选择三维、隐式非稳态、多相、湍流、流域体积、k-epsilon湍流、VOF波、重力、单元质量校正作为所述计算域的物理属性；

步骤S108，设置所述计算域的边界条件，将所述4个侧壁面和所述底面设置为速度入口，将所述顶面设置为压力出口，船体外表面设置为无滑移壁面；

步骤S109，设置造波与消波方式，其中，采用动量源项进行流域造波，采用力消波技术进行消波；

步骤S110，设置所述水池流体域的来流速度实现船舶前进航速。

4.根据权利要求1所述的单向耦合CFD与模态叠加的船舶水弹性方法，其特征在于，所述步骤S2具体包括：

步骤S201，在所述FEM求解器中建立所述船体结构三维有限元模型，其中，所述船体结构三维有限元模型包括船体外壳和加强骨材；

步骤S202，对所述船体结构三维有限元模型进行网格离散化，其中，对所述船体外壳进行壳单元网格划分，对所述加强骨材进行梁单元网格划分；

步骤S203，设置所述船体外壳和所述加强骨材的材料属性，其中，所述材料属性包括质量、密度、刚度、弹性模量、泊松比和结构阻尼；

步骤S204，基于网格离散化后的所述船体结构三维有限元模型，根据所述材料属性计算船体自由振动下的固有频率及振型矩阵；

步骤S205，对所有网格节点施加重力载荷，对与外部流场相接触的船体表面网格节点施加的流体载荷，结合船体运动自由度对所有网格节点施加位移约束。