舰船典型结构入水砰击载荷数值仿真研究
当船舶在波浪中航行时，会产生较大的垂荡和纵摇运动，船艏、艉和其它部位会频繁的出入水产生砰击现象。这会造成船体局部结构响应，引发整个船体振动。现代船舶的高速化、大型化，导致砰击现象更加容易发生，危害也越来越大。砰击会损害局部结构，具体表现为外板严重变形甚至破坏，从而船舱进水，发生海滩。运用数值仿真方法分析研究舰船典型结构入水砰击载荷，能够精确的计算船体结构在入水冲击时压力响应，也能合理的预报在船体结构在入水冲击时的砰击载荷。这些分析对于各种复杂船体结构的设计、船体局部应力的计算以及船舶在险恶坏境中的航行安全有很大的重要性。本文采用数值仿真方法，利用MSC.Dytran动力学分析软件对楔型体和平底结构入水进行仿真研究。首先，通过调查，了解国内外研究对入水砰击问题的概况。对国内外现有的入水砰击理论进行消化、吸收，着重介绍二维楔型体和平底结构入水的基本理论和知识。然后，采用有限元软件对二维楔形体入水砰击过程进行数值模拟分析，包括模型的建立、材料参数定义、网格尺寸划分、初始条件和边界条件的定义，确保入水砰击载荷数值仿真的结果真实可靠。最后，对船舶典型部位入水砰击进行数值模拟，并研究不同速度下，入水砰击压力峰值的变化规律，得出一些有意义的结论。关键词：仿真研究，入水砰击，MSC.Dytran目录
第一章 绪论 6
1.1 砰击的目的和意义 6
1.2 国内外研究的具体现状 7
1.2.1 早期入水砰击载荷研究 7
1.2.2 近期入水砰击研究 8
1.3 本文的主要内容 10
第二章Dytran软件相关介绍 11
2.1 Dytran概述 11
2.2 Dytran的分析方法 11
2.2.1 欧拉有限体积法 11
2.2.2 拉格朗日有限元法 12
2.3 分析砰击的过程 12
2.3.1建立软件模型 13
2.3.2定义材料属性 13
2.3.3初始条件和边界条件 14
2.4 本章小结 14
第三章 砰击问题的基本理论 15
3.1 二维平底结构入水砰击理论 15
3.2 二维楔形体入水砰击理论 16
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日有限元法 12
2.3 分析砰击的过程 12
2.3.1建立软件模型 13
2.3.2定义材料属性 13
2.3.3初始条件和边界条件 14
2.4 本章小结 14
第三章 砰击问题的基本理论 15
3.1 二维平底结构入水砰击理论 15
3.2 二维楔形体入水砰击理论 16
3.3 本章小结 21
第四章 舰船典型结构入水砰击载荷数值仿真研究 23
4.1网格的划分以及材料参数的定义 23
4.2 设定初始及边界条件 25
4.3 计算结果的分析 26
4.3.1不同斜升角楔形体入水分析 26
4.3.2不同速度下船尾结构入水分析 30
4.3.3 二维楔形板欧拉域的变化概况 33
4.4 本章小结 40
总结 41
致谢 42
参考文献 43
第一章 绪论
船舶在波浪中，会产生较大的垂荡和纵摇运动，船艏、艉和其它部位会频繁的出入水产生砰击现象。这会造成船体局部结构响应，也能引发大范围船体振动。
损害船身造成一系列的事故。
1.1 砰击的目的和意义
当船舶在波浪中航行时，船艏、艉和其它部位会频繁的出入水产生砰击现象。根据砰击载荷的位置，砰击可分成甲板上浪和外飘砰击以及底部砰击三种。虽然砰击压力持续时间一般很短，但产生的量值有时很大，会造成大范围船体结构响应，引发船体振动（颤振）。这会在船体底板结构和船体中部甲板上出现极大瞬时应力，若与其他应力叠加会严重损坏船体结构。
随着科技进步和现代船业的飞速发展，船舶入水砰击越来越多，砰击载荷危害也会越来越大。砰击会损害局部结构，具体表现为外板严重变形甚至破坏，从而船舱进水，发生海滩。比如二十世纪六十年代末，Bolivermaru和Califomiamaru因为入水砰击载荷使船从中间断裂、沉没；二十世纪八十年代初，又出现很多大型船在北太平洋区域失事，尤其是Onomichimaru66874吨散货船满载煤矿沉没其中，事后调查表明，是由严重的船底砰击导致船体损坏，进而断裂直至沉没。
虽然波动变化周期小的入水冲击不会直接影响船结构稳定和行驶安全，但是若有不间断的反复频繁的入水冲击载荷，会使船结构出现疲劳，进而使船体结构发生损坏。另外，救生艇的抛落、鱼雷空投入水等也归属这类问题。因此研究船体结构入水时的受力与变形，运用数值仿真方法分析研究舰船典型结构入水砰击载荷，能够精确的计算船体结构在入水冲击时压力响应，也能合理的预报在船体结构在入水冲击时的砰击载荷。这些分析对于各种复杂船体结构的设计、船体局部应力的计算以及船舶在险恶坏境中的航行安全有很大的重要性。
1.2 国内外研究的具体现状
1.2.1 早期入水砰击载荷研究
入水砰击过程是非常复杂的问题，早期研究从二十世纪初开始,A.M.Worthington利用最新技术,拍摄观察某一小球在相同条件下落入不同液体时发生的现象,成为研究入水砰击现象原理的第一人。二十世纪一十年代末期,G.H.Bottomley采用V型结构模型作入水冲击研究,根据测得的V型结构模型速度时间图,求得水上飞机着落时受到的最大冲击砰力。二十世纪三十年代初期,Watanabe利用圆锥结构作入水冲击研究,总结出时间域冲击载荷的关系 。
然而T.vonKarman才是真正研究入水砰击载荷第一人。按照动量守恒,假设入水时系统为能量守恒,通过附加质量法,认为入水过程中,结构减速减少的动量转变为形成流场的动量。例如某物体质量为M，以速度入水，物体表面上的水重，根据动量守恒得，对时间微分可以得到入水冲击载荷公式。
随后V.H.Wagner发现入水砰击过程水面会上升，研究得出小斜升角理论,成为现在理论基础。
根据以往人们总结的经验和理论基础，后人不断用完善的数学理论以及先进的计算机技术对前者进行修改、验证、发展，对入水砰击问题的研究越来越深。
直到二战以后到20世纪80年代，国外才全面展开研究入水问题。因为二战中，发生了海上战争，很多舰船的沉没破坏与入水砰击问题有关。于是大家开始深入研究这一问题，将研究对象发展到入水过程各方面,并考虑外在因素的影响。
在二十世纪五十年代,由于考虑到流体的压缩效应而使入水砰击问题发展到一个巅峰。I.T. Egorov假设流体为理想可压缩势流,声速在入水结构中为无穷大,根据平板理论分析,可以得出冲击产生的最大载荷。英国海军研究中心,利用装有弹射器的水池作了水下弹道以及入水冲击实验。
空中弹道也是当时研究的热点，A.May在针对火箭助飞导弹过程中，以零攻角方向斜入水和垂直入水中,分析了空气垫的形成、成长、消散以及空投鱼雷等问题。由于结构在入水过程各阶段的力是非线性的,便把弹道运动划分成多个时间段,由各个时间段初始参数导出最后参数。弹道入水砰击载荷压力对入水过程中的影响很小,但可以为水下弹道研究提供对照参数。
1.2.2 近期入水砰击研究
自1990年起,随着科学急速的迅猛发展,国内外对入水砰击问题的研究有了巨大进步，已经从早期的理论研究和试验方法相结合，转变成了理论研究、物模试验和数值方法相结合的时代，并开始广泛应用在工程和科研中。
在国内, 对于入水过程中水面的强非线性的简化，钱勤等人提出了运用拉普拉斯变换—边界元、时域边界元耦合方法和混合法求解在不同状态下的入水冲击问题，精准方便的分析出入水砰击载荷。后来他们又提出在时间域内求每个时间步增量的液面波动和撞水力：BELaplace逆
第一章 绪论 6
1.1 砰击的目的和意义 6
1.2 国内外研究的具体现状 7
1.2.1 早期入水砰击载荷研究 7
1.2.2 近期入水砰击研究 8
1.3 本文的主要内容 10
第二章Dytran软件相关介绍 11
2.1 Dytran概述 11
2.2 Dytran的分析方法 11
2.2.1 欧拉有限体积法 11
2.2.2 拉格朗日有限元法 12
2.3 分析砰击的过程 12
2.3.1建立软件模型 13
2.3.2定义材料属性 13
2.3.3初始条件和边界条件 14
2.4 本章小结 14
第三章 砰击问题的基本理论 15
3.1 二维平底结构入水砰击理论 15
3.2 二维楔形体入水砰击理论 16
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日有限元法 12
2.3 分析砰击的过程 12
2.3.1建立软件模型 13
2.3.2定义材料属性 13
2.3.3初始条件和边界条件 14
2.4 本章小结 14
第三章 砰击问题的基本理论 15
3.1 二维平底结构入水砰击理论 15
3.2 二维楔形体入水砰击理论 16
3.3 本章小结 21
第四章 舰船典型结构入水砰击载荷数值仿真研究 23
4.1网格的划分以及材料参数的定义 23
4.2 设定初始及边界条件 25
4.3 计算结果的分析 26
4.3.1不同斜升角楔形体入水分析 26
4.3.2不同速度下船尾结构入水分析 30
4.3.3 二维楔形板欧拉域的变化概况 33
4.4 本章小结 40
总结 41
致谢 42
参考文献 43
第一章 绪论
船舶在波浪中，会产生较大的垂荡和纵摇运动，船艏、艉和其它部位会频繁的出入水产生砰击现象。这会造成船体局部结构响应，也能引发大范围船体振动。
损害船身造成一系列的事故。
1.1 砰击的目的和意义
当船舶在波浪中航行时，船艏、艉和其它部位会频繁的出入水产生砰击现象。根据砰击载荷的位置，砰击可分成甲板上浪和外飘砰击以及底部砰击三种。虽然砰击压力持续时间一般很短，但产生的量值有时很大，会造成大范围船体结构响应，引发船体振动（颤振）。这会在船体底板结构和船体中部甲板上出现极大瞬时应力，若与其他应力叠加会严重损坏船体结构。
随着科技进步和现代船业的飞速发展，船舶入水砰击越来越多，砰击载荷危害也会越来越大。砰击会损害局部结构，具体表现为外板严重变形甚至破坏，从而船舱进水，发生海滩。比如二十世纪六十年代末，Bolivermaru和Califomiamaru因为入水砰击载荷使船从中间断裂、沉没；二十世纪八十年代初，又出现很多大型船在北太平洋区域失事，尤其是Onomichimaru66874吨散货船满载煤矿沉没其中，事后调查表明，是由严重的船底砰击导致船体损坏，进而断裂直至沉没。
虽然波动变化周期小的入水冲击不会直接影响船结构稳定和行驶安全，但是若有不间断的反复频繁的入水冲击载荷，会使船结构出现疲劳，进而使船体结构发生损坏。另外，救生艇的抛落、鱼雷空投入水等也归属这类问题。因此研究船体结构入水时的受力与变形，运用数值仿真方法分析研究舰船典型结构入水砰击载荷，能够精确的计算船体结构在入水冲击时压力响应，也能合理的预报在船体结构在入水冲击时的砰击载荷。这些分析对于各种复杂船体结构的设计、船体局部应力的计算以及船舶在险恶坏境中的航行安全有很大的重要性。
1.2 国内外研究的具体现状
1.2.1 早期入水砰击载荷研究
入水砰击过程是非常复杂的问题，早期研究从二十世纪初开始,A.M.Worthington利用最新技术,拍摄观察某一小球在相同条件下落入不同液体时发生的现象,成为研究入水砰击现象原理的第一人。二十世纪一十年代末期,G.H.Bottomley采用V型结构模型作入水冲击研究,根据测得的V型结构模型速度时间图,求得水上飞机着落时受到的最大冲击砰力。二十世纪三十年代初期,Watanabe利用圆锥结构作入水冲击研究,总结出时间域冲击载荷的关系 。
然而T.vonKarman才是真正研究入水砰击载荷第一人。按照动量守恒,假设入水时系统为能量守恒,通过附加质量法,认为入水过程中,结构减速减少的动量转变为形成流场的动量。例如某物体质量为M，以速度入水，物体表面上的水重，根据动量守恒得，对时间微分可以得到入水冲击载荷公式。
随后V.H.Wagner发现入水砰击过程水面会上升，研究得出小斜升角理论,成为现在理论基础。
根据以往人们总结的经验和理论基础，后人不断用完善的数学理论以及先进的计算机技术对前者进行修改、验证、发展，对入水砰击问题的研究越来越深。
直到二战以后到20世纪80年代，国外才全面展开研究入水问题。因为二战中，发生了海上战争，很多舰船的沉没破坏与入水砰击问题有关。于是大家开始深入研究这一问题，将研究对象发展到入水过程各方面,并考虑外在因素的影响。
在二十世纪五十年代,由于考虑到流体的压缩效应而使入水砰击问题发展到一个巅峰。I.T. Egorov假设流体为理想可压缩势流,声速在入水结构中为无穷大,根据平板理论分析,可以得出冲击产生的最大载荷。英国海军研究中心,利用装有弹射器的水池作了水下弹道以及入水冲击实验。
空中弹道也是当时研究的热点，A.May在针对火箭助飞导弹过程中，以零攻角方向斜入水和垂直入水中,分析了空气垫的形成、成长、消散以及空投鱼雷等问题。由于结构在入水过程各阶段的力是非线性的,便把弹道运动划分成多个时间段,由各个时间段初始参数导出最后参数。弹道入水砰击载荷压力对入水过程中的影响很小,但可以为水下弹道研究提供对照参数。
1.2.2 近期入水砰击研究
自1990年起,随着科学急速的迅猛发展,国内外对入水砰击问题的研究有了巨大进步，已经从早期的理论研究和试验方法相结合，转变成了理论研究、物模试验和数值方法相结合的时代，并开始广泛应用在工程和科研中。
在国内, 对于入水过程中水面的强非线性的简化，钱勤等人提出了运用拉普拉斯变换—边界元、时域边界元耦合方法和混合法求解在不同状态下的入水冲击问题，精准方便的分析出入水砰击载荷。后来他们又提出在时间域内求每个时间步增量的液面波动和撞水力：BELaplace逆
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