甲板上浪冲击载荷预报方法研究

作     者：王宇博 

作者单位：哈尔滨工程大学 

学位级别：硕士

导师姓名：李辉

授予年度：2019年

学科分类：08[工学] 0824[工学-船舶与海洋工程] 082401[工学-船舶与海洋结构物设计制造] 

主      题：甲板上浪 流动冲击 冲击载荷试验 数值仿真 结构强度校核 

摘      要：海上浮式结构在恶劣海况中极易发生甲板上浪现象,严重的甲板上浪情况甚至对甲板及甲板以上结构物造成破坏,对海上浮式结构的安全产生威胁。甲板上浪问题的严重性对甲板及甲板以上结构的抗冲击设计及冲击载荷作用下的结构强度提出了更高的要求,而进行这些工作的关键和基础是准确的对甲板及以上结构物受到的冲击载荷进行预报。因甲板上浪现象而产生的水体溅射、冲击、漩涡等强非线性因素对上浪冲击载荷具有显著影响,这给理论研究带来很大挑战;同时,目前存在的对于研究甲板上浪问题的数值方法及试验手段均存在一定的弊端;另外,对于上浪冲击载荷及由上浪冲击载荷引起的结构强度问题的规范解决方法还有待完善。急需一种新的行之有效的甲板上浪冲击载荷的预报方法。基于以上情况,本文主要进行以下方面的研究:(1)研究了船舶的甲板上浪冲击载荷数值预报方法。为保证计算结果的可靠性,进行了数值波浪水池的空域造波消波验证及简单浮式结构的上浪冲击算例验证,取得了良好的效果。以21KTEU集装箱船为研究对象,使用CFD数值仿真方法对船舶甲板上浪问题进行研究,分析上浪水体在甲板上的流动机制,并对甲板以及挡浪板处的冲击载荷进行计算及分析。(2)研究了基于溃坝模型的甲板上浪冲击载荷的试验预报方法。以溃坝模型为依据找到了一种以水槽为主体的流动冲击试验方法。以势流方法得到的船首甲板上浪高度作为输入参数进行试验。通过试验,研究了流动式甲板上浪现象中上浪水体在甲板上的流动以及冲击到模型表面后的水体演化过程;研究了流动冲击过程中,甲板以及试验模型表面的压力分布规律以及不同上浪高度与冲击速度下的冲击载荷的变化规律。(3)研究了基于溃坝模型的甲板上浪冲击载荷数值预报方法。首先对溃坝流动过程进行仿真,将得到的载荷结果与以发表的结果进行对比,验证所用方法及计算结果的可靠性。采用三维方法,模拟有模型阻挡的情况下的流动式甲板上浪冲击演化过程,对甲板及模型表面的压力进行预报,与试验结果进行对比,验证仿真方法的可靠性。(4)分析了上浪冲击载荷作用下的船艏结构强度。以21KTEU集装箱船为例,使用静力等效方法与瞬态动力分析方法对甲板及挡浪板的结构强度进行校核,分析了两种方法校核结果的相关性与差异性。