[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

说明书

本发明公开了一种单向耦合CFD与模态叠加的水弹性方法及系统，其中，方法包括：在CFD求解器中建立刚性船体流域模型，并对其进行流域网格离散化；在FEM求解器中建立船体结构三维有限元模型，并对其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；构建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；在CFD求解器中对船体进行模拟，输出船体表面压力场以及船体运动的时历值；通过信息单向耦合匹配方法和模态变换将表面压力传递到船体结构模型中，并对模态运动方程数值叠加，得到并导出船体结构的实时响应数据。该方法可精确模拟船舶航行时的运动和载荷，也可极大提高海洋结构物流固耦合问题的计算效率。

技术领域

本发明涉及船舶水弹性预报技术领域，特别涉及一种单向耦合CFD与模态叠加的船舶水弹性方法及系统。

背景技术

现代船舶大型化发展及高强度钢材的使用，使得船体结构变软，波浪激励下的船体弹性效应显著，传统刚性假设不再适用。同时，船舶大开口、高航速导致波浪遭遇频率提高，高频振动显著，增大了波浪载荷下的船舶弯矩幅值。水弹性理论比传统的刚体模型理论更充分地利用浮体周围流场的信息，使得在预测刚体运动的同时，还能够得到浮体结构的应力、变形，以及剪力和弯矩等信息，因而可以更准确地预测船舶波浪载荷。由于海洋结构物周围的流体绕流是强非线性问题，在船舶设计阶段，如对船舶水弹性评估不足，进而可能会导致在波浪作用下船体结构破坏、船舶倾覆以及海洋环境污染等灾难性后果。因此，在船舶的设计分析中应将船舶运动、波浪载荷与结构变形耦合作用综合考虑，尤其是当波浪遭遇频率与船体固有频率相互接近时，会导致船体大幅运动、结构共振响应显著增加。

目前，船舶水弹性数值模拟主要采用势流理论、耦合计算流体动力学/有限元方法(CFD-FEM)，CFD技术具有更基于物理的建模、处理非线性自由表面的能力，尤其是处理大振幅波浪和诱发的剧烈船舶运动和破碎波浪的能力，采用有限元方法(FEM)可以研究波浪载荷作用下的船体结构强度与变形效应。但采用势流理论无法有效模拟强非线性波浪，使得船舶在波浪作用下的水弹性响应计算局限于线性波浪和弱非线性波浪作用范围。此外，一般形式的CFD-FEM流固耦合方法的时间成本高，计算效率低，对计算机硬件要求较高。

因此，当综合考虑船舶结构载荷、水弹性响应问题时，亟待一种在保证计算精度的同时，进一步提高计算效率，降低时间成本的船舶水弹性算法。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

为此，本发明的一个目的在于提出一种单向耦合CFD与模态叠加的船舶水弹性方法，该方法在精确模拟船舶航行时的运动和载荷的同时，也在极大提高了海洋结构物流固耦合问题的计算效率。

本发明的另一个目的在于提出一种单向耦合CFD与模态叠加的船舶水弹性系统。

本发明又一方面实施例提供一种计算机设备。

本发明还一方面实施例提供一种非临时性计算机可读存储介质。

为达到上述目的，本发明一方面实施例提出了单向耦合CFD与模态叠加的船舶水弹性方法，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。