【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种船舶波浪载荷设计技术，特别涉及一种基于cfd方法的船舶迎浪下垂向剪力和垂向弯矩的计算方法。
技术介绍
1、对于船舶在波浪中航行，计算其受到的波浪载荷的方法分为，势流方法、有限元方法、无网格粒子方法以及计算流体动力学方法等。
2、势流方法是解决船舶波浪载荷问题的有效手段。势流方法又可根据是否考虑船体变形，将其分为刚性体理论和水弹性理论。传统的波浪载荷理论在计算波浪载荷时将船体看成刚形体，不考虑船体变形对波浪载荷的影响；水弹性理论可以考虑船体结构的弹性形变，将船体的弹性变形和流体的耦合作用计入波浪载荷中。势流方法按照速度势的维度可分为基于二维线性势流理论的切片法、高速细长体理论(二维半理论)和三维势流理论。
3、(1)切片法是一种近似理论，假设船体为细长体，将船体周围的三维流动近似为各横剖面处的二维流动，引入长波假设，将复杂的绕射问题转化为简单的辐射问题。切片法仅适用于细长型船体，低航速或高振荡频率的情况。其缺点显而易见，该方法将三维流动简化为二维流动，虽然减少了计算量，但忽略了不同切片的流体之间相互的影响，若船体不满足“细长体”假定以及船体运动不满足“低速高频”假定，切片法不适用于求解波浪载荷。
4、(2)高速细长体理论是在切片法的基础上提出的，船体需满足“细长体”假定，且高速船舶其横剖面所生成的水波主要向下游传播。该理论相较于切片法，保留了船体周围的流场的二维假定，考虑了自由面的三维流场效应，即求解的流场是二维的，而定解条件中保留了三维线性自由面条件，因此又被称为二维半理论。
5、(3)三维势流理论目前被广泛应用于船舶的波浪载荷预报，可以分为复杂格林函数方法和简单格林函数方法。复杂格林函数方法适用于线性化自由面条件下水动力计算，简单格林函数方法适用于非线性自由面条件下水动力计算。其控制方程、物面边界条件和自由面边界条件均为三维的，克服了二维理论的缺点，突破了细长体的假定和速度的要求，应用面更广。
6、无网格粒子方法是将连续的流体(或固体)用相互作用的质点组来描述，每个粒子都携带着自身的物理信息，包括粒子类型、位置、压力、速度等，通过求解质点组的动力学方程和跟踪每个质点的运动轨道，求得整个系统的力学行为。无网格粒子方法可以精确的追踪自由表面，模拟相界面翻卷破碎、水跃、射流飞溅等强非线性线性现象，但是其局限性有两点，第一点在于模拟三维大尺度物理问题时，计算效率明显降低，第二点在于模拟高雷诺数黏性流动效应和流动分离效应存在一定的局限性。
7、对于船舶在高海况的波浪环境中航行时，波浪会在瞬间冲击船体结构，因此砰击是船体与波浪相互作用而产生的一种瞬时的高度非线性的流体与结构之间相互作用的动态现象。然而现有技术存在以下缺点：
8、(1)势流方法忽略了流体的黏性作用，且对强非线性特征问题的处理能力欠佳，使其在砰击问题中的应用具有一定的局限性。
9、(2)无网格粒子法无法精确求解高雷诺数黏性流动效应和流动分离效应的问题，因此对于船舶在复杂的海洋环境中波浪载荷的数值计算存在困难。
10、(3)传统cfd(computational fluid dynamics,计算流体动力学)方法针对刚性船体仅能计算其重心处的运动和水动力，无法计算船体剖面处波浪载荷。
技术实现思路
1、针对求解船舶在黏性流体中航行时波浪载荷的难点问题，提出了一种船舶迎浪下垂向剪力和垂向弯矩的计算方法。
2、本专利技术的技术方案为：一种船舶迎浪下垂向剪力和垂向弯矩的计算方法，将刚性船体沿着船长方向细分为多个分段；对分段进行受力分析，将分段剖面的垂向剪力与作用在此分段剖面前部分的船体重心处的重力、惯性力和水动力组成的平衡力系，将分段剖面的垂向弯矩与作用在此分段剖面前部分的船体重心处的重力力矩、惯性力力矩和水动力力矩组成的平衡力系；通过指定水动力计算方法，使其输出刚性船体重心处六自由度运动幅值、水动力以及各分段重心处的力和力矩，根据达朗贝尔原理推导得出各剖面位置处的垂向剪力和垂向弯矩，遍历整船的所有剖面，最终得到整船的垂向剪力和垂向弯矩。
3、进一步，所述对分段进行受力分析具体实现方法：
4、重量分布处理；假定船体每个肋位间的重量为均匀分布，每个肋位间的重心可认为是位于两肋位之间的中心点处，从而得到重量曲线，用于后续计算；
5、整船从船尾部开始到船首部细分为0,1,2,…,i,…,k,k+1共(k+1)个分段编号，中间共包含k个剖面，依次对应步骤1中的船体剖面，第i个分段的质量记为mi；为计算k个剖面处的垂向剪力和垂向弯矩，创建变量c剖面，遍历k个剖面，分别统计船尾至c剖面分段的重量和重心位置，另外将船尾至c剖面之间的船体记为船体前半体，c剖面至船首之间的船体记为船体后半体，船体前半体包含从船尾至c剖面之间n个分段，船体前半体的质量为：
6、
7、将船体前半体的各分段质量分别对c剖面求一次矩，由静力学的合力之矩定理，可知船体前半体的重心纵向坐标xcg为：
8、
9、其中xi为i分段的重心位置的x方向坐标，xc为c剖面位置的x方向坐标；
10、根据达朗贝尔原理，作用于质点系上的所有外力与虚加在每个质点上的惯性力在形式上组成平衡力系，取出船体前半体，分析可知c剖面的垂向剪力fc与作用在船体前半体重心处的重力f(gravity,vertical)、惯性力f(inertia,vertical)和水动力f(hydro,vertical)在形式上组成的平衡力系，且垂向弯矩mc与作用在船体前半体重心处的重力力矩m(gravity,vertical)、惯性力力矩m(inertia,vertical)和水动力力矩m(hydro,vertical)在形式上组成的平衡力系；前半体的受力情况满足公式(3)和(4)：
11、
12、其中f(gravity,vertical)为船体前半体重力；fi(inertia,vertical)为i分段的惯性力；fi(hydro,vertical)为i分段的水动力；fc为c剖面的垂向剪力；
13、
14、其中m(gravity,vertical)为船体前半体重力力矩；mi(inertia,vertical)为i分段的惯性力力矩；mi(hydro,vertical)为i分段的水动力力矩；mc为c剖面的垂向弯矩。
15、进一步，所述刚性船体重心处六自由度运动：船舶在外力的作用下会发生运动，视为六自由度刚体运动，将其分解为相对地球坐标系的六个方向上的运动，包括平动：x,y,z方向上的平移运动分别为纵荡、横荡、垂荡和转动：x,y,z方向上的旋转运动分别为横摇、纵摇、首摇；
16、采用多重坐标系描述船舶的运动，通常用两个右手笛卡尔坐标系描述：地球坐标系o本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种船舶迎浪下垂向剪力和垂向弯矩的计算方法，其特征在于，将刚性船体沿着船长方向细分为多个分段；对分段进行受力分析，将分段剖面的垂向剪力与作用在此分段剖面前部分的船体重心处的重力、惯性力和水动力组成的平衡力系，将分段剖面的垂向弯矩与作用在此分段剖面前部分的船体重心处的重力力矩、惯性力力矩和水动力力矩组成的平衡力系；通过指定水动力计算方法，使其输出刚性船体重心处六自由度运动幅值、水动力以及各分段重心处的力和力矩，根据达朗贝尔原理推导得出各剖面位置处的垂向剪力和垂向弯矩，遍历整船的所有剖面，最终得到整船的垂向剪力和垂向弯矩。
2.根据权利要求1所述船舶迎浪下垂向剪力和垂向弯矩的计算方法，其特征在于，所述对分段进行受力分析具体实现方法：
3.根据权利要求2所述船舶迎浪下垂向剪力和垂向弯矩的计算方法，其特征在于，所述刚性船体重心处六自由度运动：船舶在外力的作用下会发生运动，视为六自由度刚体运动，将其分解为相对地球坐标系的六个方向上的运动，包括平动：x,y,z方向上的平移运动分别为纵荡、横荡、垂荡和转动：x,y,z方向上的旋转运动分别为横摇、纵摇、首摇；
<...【技术特征摘要】
1.一种船舶迎浪下垂向剪力和垂向弯矩的计算方法，其特征在于，将刚性船体沿着船长方向细分为多个分段；对分段进行受力分析，将分段剖面的垂向剪力与作用在此分段剖面前部分的船体重心处的重力、惯性力和水动力组成的平衡力系，将分段剖面的垂向弯矩与作用在此分段剖面前部分的船体重心处的重力力矩、惯性力力矩和水动力力矩组成的平衡力系；通过指定水动力计算方法，使其输出刚性船体重心处六自由度运动幅值、水动力以及各分段重心处的力和力矩，根据达朗贝尔原理推导得出各剖面位置处的垂向剪力和垂向弯矩，遍历整船的所有剖面，最终得到整船的垂向剪力和垂向弯矩。
2.根据权利要求1所述船舶迎浪下垂向剪力和垂向弯矩的计算方法，其特征在于，所述对分段进行受力分析具体实现方法：
3.根据权利要求2所述船舶迎浪下垂向剪力和垂向弯矩的计算方法，其特征在于，所述刚性船体重心处六自由度运动：船舶在外力的作用下会发生运动，视为六自由度刚体运动，将其分解为相对地球坐标系的六个方向...
【专利技术属性】
技术研发人员：郭浩，刘义，彭营豪，曲雪，刘晓冰，王福花，
申请(专利权)人：中国船舶集团有限公司第七○八研究所，
类型：发明
国别省市：
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。