计及多液舱晃荡的多尺度船体失稳倾覆评估方法技术

本发明专利技术公开了一种计及多液舱晃荡的多尺度船体失稳倾覆评估方法，涉及船舶技术领域，该方法将船体内部的流场按液舱划分为多个子流场，基于大地坐标系在每个子流场构成的局部粘流计算域同步求解得到每个液舱的舱室受力，合成形成晃荡载荷力；在船体外部的流场构成的势流计算域利用拉普拉斯方程求解得到水动力，由晃荡载荷力和水动力得到外部响应力代入航行状态对应的船体运动模型中进行时域求解，并对粘势流计算域的流场信息进行多尺度迭代求解得到失稳倾覆评估结果，该方法将多液舱晃荡产生的影响也加入评估过程中，使得对船体失稳倾覆评估更准确，同时利用了势流方法在计算大幅运动计算时间上的优势，在评估的精度和效率两方面都有优势。两方面都有优势。两方面都有优势。

【技术实现步骤摘要】
计及多液舱晃荡的多尺度船体失稳倾覆评估方法


[0001]本专利技术涉及船舶
，尤其是一种计及多液舱晃荡的多尺度船体失稳倾覆评估方法。

技术介绍

[0002]船舶在实际海洋环境中运行时，即便是在海浪状态比较温和的情况下，都有可能突然遭遇顶浪或斜浪而引起船舶参数横摇等失稳模式引起船体失效，导致船舶产生超过30
°
的大幅横摇，甚至引起倾覆，影响安全。因此船舶航行过程中对于波浪稳性失效模式的评估，对于船舶的安全航行至关重要。
[0003]但是目前在进行波浪稳性失效模式评估，以对船体失稳倾覆的现象进行预报时，都是基于船舶为空壳船体的假设，主要考虑船舶外部线型和装载等的影响。但是实际对于油船、LNG船等装载有舱内液体的船型，船舶在海浪中的运动会引起舱内液体的晃荡，而舱内液体的晃荡引起的载荷又会改变船体的大幅运动，此时舱内液体的晃荡与船体运动是相互耦合的，可能会进一步恶化船舶的稳定性，若采用现有的评估方法忽略舱内液体的晃荡的影响，则会导致评估结果的准确性较低，最终影响船舶航行安全。

技术实现思路

[0004]本专利技术人针对上述问题及技术需求，提出了一种计及多液舱晃荡的多尺度船体失稳倾覆评估方法，本专利技术的技术方案如下：
[0005]一种计及多液舱晃荡的多尺度船体失稳倾覆评估方法，该方法包括：
[0006]将船体内部的流场按液舱划分为多个子流场，每个子流场构成一个局部粘流计算域，船体外部的流场构成势流计算域；
[0007]基于大地坐标系在每个局部粘流计算域基于对应的流场信息利用NS粘流方程同步求解得到每个液舱的舱室受力，并对所有液舱的舱室受力合成形成晃荡载荷力；
[0008]基于大地坐标系在势流计算域基于对应的流场信息利用拉普拉斯方程求解得到水动力；
[0009]由晃荡载荷力和水动力得到外部响应力；
[0010]采用弹簧约束控制船体航向，将外部响应力代入航行状态对应的船体运动模型中进行时域求解，更新船体内部和外部的流场的流场信息并进行多尺度迭代求解，直至满足迭代条件时得到对船体在波浪中航行时的失稳倾覆评估结果。
[0011]其进一步的技术方案为，进行多尺度迭代求解包括：
[0012]在迭代求解过程中，所有局部粘流计算域采用相同的时间步长同步迭代求解，局部粘流计算域和势流计算域采用不同的时间步长交互迭代求解，且局部粘流计算域的迭代求解速度快于势流计算域。
[0013]其进一步的技术方案为，在迭代求解的过程中，每隔Δt1迭代求解每个液舱的舱室受力，每隔Δt2迭代求解水动力，Δt2＝k*Δt1且k的取值与粘流内部迭代稳定平衡条件
相关。
[0014]其进一步的技术方案为，在每个局部粘流计算域求解得到对应液舱的每个壁面的垂直于壁面的受力，对液舱的所有壁面的受力进行力的合成得到液舱的舱室受力，对所有液舱的舱室的所有受力合成形成晃荡载荷力，包括：
[0015]在船体坐标系下对各个液舱的舱室受力进行力的合成，得到晃荡载荷力。
[0016]其进一步的技术方案为，该方法还包括：
[0017]将船体外部的流场按预定交界面划分为第一外部流场和第二外部流场，第一外部流场包括船体至预定交界面之间的流场区域，第二外部流场包括预定交界面至无穷远处的流场区域，第一外部流场构成Rankine源势流计算域，第二外部流场构成时域Green函数势流计算域。
[0018]其进一步的技术方案为，以沿着船长方向的长度为(1.5～2.0)L
pp
、沿着船宽方向的宽度为(0.6～0.8)B、沿着吃水方向的纵深为(0.4～0.8)d的三维区域的外表面为预定交界面，其中，L
pp
是船体的垂线间长，B是船体的船宽，d是船体的吃水深度。
[0019]其进一步的技术方案为，当船体的航行状态为顶浪状态时，对应的船体运动模型至少是包括垂荡
‑
横摇
‑
纵摇在内的三自由度数学方程。
[0020]其进一步的技术方案为，当船体的航行状态为斜浪状态时，对应的船体运动模型至少是包括垂荡
‑
横摇
‑
纵摇
‑
首摇在内的四自由度数学方程。
[0021]其进一步的技术方案为，当方法用于对船体在规则波中航行时的失稳倾覆评估时，若满足迭代条件时船体未失稳倾覆，则满足迭代条件时计算周期大于N个船体固有周期，且每个计算周期至少M个计算点。
[0022]其进一步的技术方案为，当方法用于对船体在不规则波中航行时的失稳倾覆评估时，若满足迭代条件时船体未失稳倾覆，则满足迭代条件时至少选择P个随机种子数进行重复计算且每次模拟时间不少于Q。
[0023]本专利技术的有益技术效果是：
[0024]本申请公开了一种计及多液舱晃荡的多尺度船体失稳倾覆评估方法，该方法充分考虑了舱室气液大幅晃荡引起的砰击、破碎等非定常粘性现象，将多液舱晃荡产生的影响也进入评估过程中，使得对船体失稳倾覆评估更准确，而且也能充分利用势流方法在计算大幅运动计算时间上的优势，且还进一步考虑了船体大幅运动与自由面之间的大变形，相比于全粘流方法，大幅减小了计算网格，进而减小了计算时间和成本；相比于目前常用的势流方法，更好地处理和表征了气液两相大幅晃荡的粘性特征，从而在评估的精度和效率两方面都有优势，非常适合多舱晃荡耦合船体失稳倾覆运动的评估。
[0025]进一步的，本申请采用快慢双重尺度进行多尺度迭代求解，解决了粘流与势流时间特征不匹配的问题。而进一步将势流计算域划分为两个计算域的做法，更好地减小了面元和方程的数量，降低了计算时间。
附图说明
[0026]图1是本申请的多尺度船体失稳倾覆评估方法的流程示意图。
具体实施方式
[0027]下面结合附图对本专利技术的具体实施方式做进一步说明。
[0028]本申请公开了一种计及多液舱晃荡的多尺度船体失稳倾覆评估方法，请参考图1所示的流程图，该方法包括如下步骤：
[0029]1、划分流场区域：将船体内部的流场按液舱划分为多个子流场，每个子流场构成一个局部粘流计算域。船体外部的流场构成势流计算域。
[0030]每个液舱对应的子流场与船体外部的流场的交界面为液舱的壁面，满足壁面条件，每个液舱的壁面分别与船体外部的流场满足匹配条件，且各个液舱的壁面的边界协调统一。
[0031]在一个实施例中，对船体外部的流场进一步划分，将船体外部的流场按预定交界面划分为第一外部流场和第二外部流场，第一外部流场包括船体至预定交界面之间的流场区域，第二外部流场包括预定交界面至无穷远处的流场区域。两个外部流场之间的交界面为提到的预定交界面，第一外部流场和第二外部流畅的预定交界面满足流场信息的一致，包括速度势和速度势的导数的一致，该预定交界面的选取一方面需要能捕捉船体的大幅运动，另一方面需要足够小以减小计算量，为此可选的，以沿着船长方向的长度为(1.5～2.0)L
pp
、沿着船宽方向本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种计及多液舱晃荡的多尺度船体失稳倾覆评估方法，其特征在于，所述方法包括：将船体内部的流场按液舱划分为多个子流场，每个子流场构成一个局部粘流计算域，所述船体外部的流场构成势流计算域；基于大地坐标系在每个局部粘流计算域基于对应的流场信息利用NS粘流方程同步求解得到每个液舱的舱室受力，并对所有液舱的舱室受力合成形成晃荡载荷力；基于大地坐标系在所述势流计算域基于对应的流场信息利用拉普拉斯方程求解得到水动力；由所述晃荡载荷力和所述水动力得到外部响应力；采用弹簧约束控制船体航向，将所述外部响应力代入航行状态对应的船体运动模型中进行时域求解，更新船体内部和外部的流场的流场信息并进行多尺度迭代求解，直至满足迭代条件时得到对船体在波浪中航行时的失稳倾覆评估结果。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述进行多尺度迭代求解包括：在迭代求解过程中，所有局部粘流计算域采用相同的时间步长同步迭代求解，局部粘流计算域和势流计算域采用不同的时间步长交互迭代求解，且局部粘流计算域的迭代求解速度快于势流计算域。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在迭代求解的过程中，每隔Δt1迭代求解每个液舱的舱室受力，每隔Δt2迭代求解水动力，Δt2＝k*Δt1且k的取值与粘流内部迭代稳定平衡条件相关。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在每个局部粘流计算域求解得到对应液舱的每个壁面的垂直于所述壁面的受力，对液舱的所有壁面的受力进行力的合成得到所述液舱的舱室受力，所述对所有液舱的舱室的所有受力合成形成晃荡载荷力，包括：在船体坐标系下对各个液舱的舱室受力进行力的合成，得到所述晃荡载荷力。5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：将船体外部的流场按预定交界面划分为第一外部流场和第二外部流场，所述第一外部流场包括船体...

【专利技术属性】
技术研发人员：卜淑霞，顾民，鲁江，
申请(专利权)人：中国船舶科学研究中心，
类型：发明
国别省市：