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半浸桨“杯”型结构水动力性能影响分析

中国舰船研究 2024年

作者：严彬傅慧萍李杰上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院上海交通大学海洋工程全国重点实验室

[目的]旨在研究“杯”型结构对半浸式螺旋桨水动力性能的影响规律和作用机理。[方法]基于RANS方法并结合流体体积（VOF）方法以及滑移网格方法，对自然通气工况下841-B半浸桨及其“杯”型结构改型桨开展数值模拟；在验证数值模拟方法有... 详细信息

[目的]旨在研究“杯”型结构对半浸式螺旋桨水动力性能的影响规律和作用机理。[方法]基于RANS方法并结合流体体积（VOF）方法以及滑移网格方法，对自然通气工况下841-B半浸桨及其“杯”型结构改型桨开展数值模拟；在验证数值模拟方法有效性的基础上，基于二分法调整随边角度以使基准半浸桨“杯”型结构变化，从而对系列桨开展计算和研究。[结果]研究显示，“杯”型结构变化对半浸桨的推力和扭矩影响显著，但对效率的影响相对较小；增大“杯”型结构会使桨出水时附带更多水体，造成桨后兴波和液滴飞溅加剧。[结论]所采用的研究方法和所得结论可为半浸桨的设计提供参考。

关键词：半浸式螺旋桨 "杯"型结构随边角度水动力性能

基于近场动力学的含损伤缺陷Q345钢裂纹扩展分析

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船舶力学 2024年第1期28卷 103-114页

作者：李双吕海宁黄小华杨建民上海交通大学海洋工程国家重点实验室上海200240 上海交通大学三亚崖州湾深海科技研究院海南三亚572000 广西大学防灾与结构安全教育部重点实验室南宁530004

船舶与海洋工程结构中由于材料本身缺陷或服役过程中产生的细小裂纹,使结构不可避免地产生裂纹损伤,造成应力集中而破坏。为了研究含裂纹缺陷低合金钢构件的裂纹扩展行为,以应用广泛的Q345钢为研究对象,基于近场动力学(Peridynamics,PD... 详细信息

船舶与海洋工程结构中由于材料本身缺陷或服役过程中产生的细小裂纹,使结构不可避免地产生裂纹损伤,造成应力集中而破坏。为了研究含裂纹缺陷低合金钢构件的裂纹扩展行为,以应用广泛的Q345钢为研究对象,基于近场动力学(Peridynamics,PD)理论提出一种改进的双参数PD方法。首先考虑PD力的非局部长程力特性,推导对应的键刚度系数;其次,根据含裂纹缺陷Q345钢拉伸破坏的线性和非线性的力学行为,构建双参数PD本构力函数的基本形式。通过研究不同双裂纹间距、长度和角度的Q345钢裂纹扩展行为,与试验结果对比验证本文改进的双参数PD方法的准确性,并且给出交变荷载情形下疲劳裂纹扩展的计算方法。结果可为船舶钢构件的优化设计和断裂预防提供参考。

关键词： Q345钢近场动力学裂纹扩展损伤断裂受拉破坏

基于UNet深度学习的VLCC横框架拓扑优化分析

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中国舰船研究 2024年

作者：李振荣夏利娟冯朔上海交通大学海洋工程全国重点实验室上海交通大学船舶与海洋建筑工程学院

[目的]为将人工智能技术应用于复杂船舶结构的优化设计，提出一种基于UNet的船体横框架拓扑优化方法。[方法]以某VLCC横框架为研究对象，首先根据优化数学原理创建UNet拓扑优化代理模型，然后将有限元网格物理量映射为张量，获得供模型... 详细信息

[目的]为将人工智能技术应用于复杂船舶结构的优化设计，提出一种基于UNet的船体横框架拓扑优化方法。[方法]以某VLCC横框架为研究对象，首先根据优化数学原理创建UNet拓扑优化代理模型，然后将有限元网格物理量映射为张量，获得供模型训练的数据集，最后采用交并比（IoU）方法对训练结果进行评估，并将该方法与SIMP法进行拓扑构型对比。[结果]结果显示，所提拓扑优化方法能够快速输出设计域的材料布局，与SIMP拓扑优化相比可以更加高效地获得结构拓扑构型。[结论]所提拓扑优化方法可为船舶横框架结构提供一种新型的设计手段。

关键词：拓扑优化深度学习 UNet 代理模型数据映射船舶横框架

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弹性浮体的二阶平均漂移力研究

船舶力学 2024年第5期28卷 651-662页

作者：李帅付世晓张仕元上海交通大学海洋工程国家重点实验室上海200240 高新船舶与深海开发装备协同创新中心上海200240

本文基于离散模块思想,提出一种求解弹性浮体二阶平均漂移力的数值方法。首先将连续弹性浮体离散为弹性梁连接的刚性模块系统,实现弹性梁刚度和各模块水动力信息的耦合,在频域内求解浮体一阶水弹性响应。然后利用二阶多体水动力理论,并... 详细信息

本文基于离散模块思想,提出一种求解弹性浮体二阶平均漂移力的数值方法。首先将连续弹性浮体离散为弹性梁连接的刚性模块系统,实现弹性梁刚度和各模块水动力信息的耦合,在频域内求解浮体一阶水弹性响应。然后利用二阶多体水动力理论,并考虑计及结构弹性变形影响后的各模块一阶运动信息,获得各刚性模块上的二阶平均漂移力。最后,利用该方法求解自由柔性驳船的平均漂移力,并与基于模态叠加思想的三维水弹性理论的计算结果进行对比验证。此外,由于本文方法在水动力求解方面的离散特性,该方法可直接拓展到非均匀波浪场下浮体的水弹性响应分析。

关键词：水弹性离散模块平均漂移力频域

基于CATIA的钢结构CAD与CAE一体化实现方法

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船舶工程 2024年第3期46卷 48-54页

作者：徐思豪戴宇晨汤霄扬王德禹上海交通大学海洋工程全国重点实验室上海200240 上海交通大学海洋装备研究院上海200240 中国船舶及海洋工程设计研究院上海200011

为了应对钢结构在实现计算机辅助设计(CAD)与计算机辅助工程(CAE)一体化时的特殊性所带来的挑战,分析和归纳CAD与CAE一体化中数据转换,与几何理想化等关键问题,在此基础上,提出一种基于CATIA V6软件实现钢结构CAD与CAE一体化的方法,并... 详细信息

为了应对钢结构在实现计算机辅助设计(CAD)与计算机辅助工程(CAE)一体化时的特殊性所带来的挑战,分析和归纳CAD与CAE一体化中数据转换,与几何理想化等关键问题,在此基础上,提出一种基于CATIA V6软件实现钢结构CAD与CAE一体化的方法,并通过一个绑扎桥钢结构的设计案例验证了该方法的有效性。通过所提方法分别实现了CAE几何理想化的自动切换与整合载荷数据至CAD模型的技术目标,从而避免了基于传统方法所带来的数据分离问题,减少了人工介入的低效工作。

关键词： CATIA V6 计算机辅助设计计算机辅助工程一体化几何理想化载荷传递

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强迫振动下垂直管道固液两相流数值模拟研究

力学学报 2024年第3期56卷 586-596页

作者：万初一范祖相周岱韩兆龙朱宏博包艳上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院上海200240 上海齐耀动力技术有限公司上海200240

粗颗粒固液两相流的管道输运适用于深海采矿工程.扬矿管道在流致振动作用下的内部固液两相流的输运机理尚未被完全探究.因此,采用计算流体动力学(CFD)与离散元(DEM)耦合的方法,分析不同粒径、不同振动频率与振幅和不同浓度工况下在强迫... 详细信息

粗颗粒固液两相流的管道输运适用于深海采矿工程.扬矿管道在流致振动作用下的内部固液两相流的输运机理尚未被完全探究.因此,采用计算流体动力学(CFD)与离散元(DEM)耦合的方法,分析不同粒径、不同振动频率与振幅和不同浓度工况下在强迫振动管道中的粗颗粒动力学特性以及管内流场变化特性.其中,将管道的振动简化为一维径向振动,将实际工况中的柔性管道假定为刚体管道.研究表明,在管道振动过程中,大颗粒相比小颗粒的惯性更大,而流体也需要更大的速度产生更大的曳力推动大颗粒,导致更大的轴向流场速度以及更大的轴向颗粒速度.随着粒径增大,大颗粒对流场的扰动更大,导致流体与壁面间的作用力更大;并且大颗粒与壁面间的碰撞和摩擦作用力更大,因此壁面剪应力增大.同时,大颗粒与流体间摩擦损耗的能量也更大.因此管道需要更大的能量将其输运,导致振动管道内的压降增加.增大管道振动频率与振幅会导致颗粒在截面上的分布更加分散,同时对流场扰动更大,然而对轴向流场速度的影响相对较小.增大进料浓度使颗粒间、颗粒与流场间的作用更加频繁,导致颗粒分布发生变化,并导致更大的轴向流场速度和湍动能.

关键词：深海采矿 CFD-DEM 固液两相流管道输运强迫振动

均匀流作用下半潜式养殖网箱立柱和网衣耦合水动力数值研究

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水动力学研究与进展A辑 2024年第4期 606-614页

作者：陈诚王瀚彬张雪燕张显涛上海交通大学海洋工程国家重点实验室上海交通大学三亚崖州湾深海科技研究院上海交通大学重庆研究院

为满足水产养殖场向深远海扩张的趋势，近年来一系列新型网箱概念被提出。该文以半潜式网箱的基本组成单元，立柱—网衣组合结构为研究对象，对其在均匀流下的水动力耦合特性开展了数值研究。采用多孔介质模型对网衣结构进行建模，采用k... 详细信息

为满足水产养殖场向深远海扩张的趋势，近年来一系列新型网箱概念被提出。该文以半潜式网箱的基本组成单元，立柱—网衣组合结构为研究对象，对其在均匀流下的水动力耦合特性开展了数值研究。采用多孔介质模型对网衣结构进行建模，采用k-ε湍流模型进行数值计算；测量了仅立柱、仅网衣和立柱—网衣组合结构的升阻力特性，初步揭示了立柱和网衣之间的水动力耦合机理。研究结果表明：网衣结构的存在总会使立柱所受阻力增加，这主要与立柱前侧表面压强增大有关；相反，立柱结构的阻塞作用会影响网衣区域的局部流场，使网衣所受阻力增大，其对网衣升力的影响主要与来流角度有关。该研究表明，对新型半潜式网箱等海洋结构物进行水动力分析时，应当考虑立柱和网衣之间的水动力相互作用。

关键词：半潜式网箱立柱—网衣组合结构多孔介质模型升阻力特性耦合机理

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外部搭载对潜艇操纵性影响的数值研究

中国造船 2024年第4期65卷 53-65页

作者：郑自强邹璐邹早建王璇上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院上海200240 上海交通大学海洋智能装备与系统教育部重点实验室上海200240 上海交通大学海洋工程全国重点实验室上海200240 中国船舶科学研究中心无锡214082

为研究外部搭载装置对潜艇操纵性的影响,采用RANS(Reynolds-averaged Navier-Stokes)方法对搭载某水下航行器的SUBOFF潜艇约束模运动进行数值模拟。基于获得的水动力导数,评估外部搭载对潜艇动态稳定性与机动性的影响。首先,对SUBOFF斜... 详细信息

为研究外部搭载装置对潜艇操纵性的影响,采用RANS(Reynolds-averaged Navier-Stokes)方法对搭载某水下航行器的SUBOFF潜艇约束模运动进行数值模拟。基于获得的水动力导数,评估外部搭载对潜艇动态稳定性与机动性的影响。首先,对SUBOFF斜航运动水动力参数计算结果进行网格收敛性分析,并将数值结果与试验数据对比,验证数值方法的可靠性。其次,数值预报搭载状态下的SUBOFF潜艇在垂直面与水平面上典型的静态和动态约束模运动的水动力和力矩,并通过拟合曲线求取相应的水动力导数。在此基础上,用操纵性衡准数评估潜艇稳定性与机动性。结果显示,未搭载与搭载状态下的SUBOFF潜艇均不具有稳定性,且在搭载状态下其稳定性会进一步降低;外载装置能改善潜艇垂直面的应舵性和水平面上的回转性。

关键词：潜艇操纵性外部搭载约束模运动水动力导数数值模拟

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统一理论计算船舶水动力的实用性研究

中国舰船研究 2024年第4期19卷 210-218页

作者：王正锐朱仁传徐德康李超凡上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院上海200240 上海交通大学海洋工程全国重点实验室上海200240

[目的]针对切片理论计算细长船舶水动力时存在的低频限制问题,使用一种简易的方法高效计算更广频率范围内的细长船舶水动力。[方法]基于综合了切片理论和普通细长体理论的统一理论,编程计算椭球、修改的Wigley船模和S60船的附加质量与... 详细信息

[目的]针对切片理论计算细长船舶水动力时存在的低频限制问题,使用一种简易的方法高效计算更广频率范围内的细长船舶水动力。[方法]基于综合了切片理论和普通细长体理论的统一理论,编程计算椭球、修改的Wigley船模和S60船的附加质量与阻尼系数,并与实验值、切片理论、三维移动脉动源格林函数法等的计算结果进行对比,分析统一理论的计算特点及优势。[结果]结果显示,基于二维剖面的统一理论在零航速工况下的计算结果与三维面元法的计算结果基本一致,在有航速工况下的计算结果与三维移动脉动源格林函数法的计算值展现出相近的变化规律。[结论]研究表明统一理论能够反映低频区域的三维效应,相比三维方法更高效、更简易,有较高的实用价值。

关键词：统一理论切片理论三维效应船舶水动力