船舶球鼻艏的砰擊壓力曲線(xiàn)以及載荷分布特性

濮天歡

摘 要：本文以二維楔形體等速砰擊入水為引，通過(guò)與理論數(shù)值及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)照，發(fā)現(xiàn)精度滿(mǎn)足工程需要，然后以此為基礎(chǔ)，模擬了自由下落的楔形體的入水砰擊響應(yīng)，同時(shí)還選取了一艘油船的球鼻艏進(jìn)行砰擊模擬，將三維砰擊問(wèn)題簡(jiǎn)化為二維剖面的砰擊最后積分得到最終三維球鼻艏的砰擊壓力時(shí)歷曲線(xiàn)以及載荷分布特性。

關(guān)鍵詞：楔形體；砰擊壓力；球鼻艏；Fluent

中圖分類(lèi)號(hào)：U661.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006—7973（2017）04-0042-02

1 研究對(duì)象

船舶的砰擊是一個(gè)非常嚴(yán)重但是又常見(jiàn)的問(wèn)題，砰擊是船舶在航行過(guò)程中經(jīng)常遇到的現(xiàn)象，它具有很大的危害性，船舶在發(fā)生砰擊時(shí)，不僅承受著瞬間極大的砰擊載荷，而且砰擊發(fā)生過(guò)程中，伴有壓力脈沖，對(duì)結(jié)構(gòu)壽命也有很大的影響，因此深入研究并準(zhǔn)確預(yù)報(bào)出船舶的砰擊現(xiàn)象，并完善相關(guān)理論，以保證航行過(guò)程中的安全性，具有很重要的意義，砰擊現(xiàn)象在船舶領(lǐng)域通常分為三種類(lèi)型，一種是船底砰擊，一種是外張砰擊，還有一種就是甲板上浪。Fluent軟件中對(duì)動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)對(duì)運(yùn)動(dòng)物體的控制以及VOF法對(duì)自由液面的捕捉，完全可以獨(dú)立完成砰擊的整個(gè)過(guò)程，但是研究多停留在流場(chǎng)，速度的變化情況以及自由液面的選取，很少有對(duì)結(jié)構(gòu)砰擊響應(yīng)進(jìn)行研究的，本文即以二維楔形體等速砰擊入水為引，通過(guò)與理論數(shù)值及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)照，發(fā)現(xiàn)精度滿(mǎn)足工程需要，然后以此為基礎(chǔ)，模擬了自由下落的楔形體的入水砰擊響應(yīng)，同時(shí)還選取了一艘油船的球鼻艏進(jìn)行砰擊模擬，將三維砰擊問(wèn)題簡(jiǎn)化為二維剖面的砰擊最后積分得到最終三維球鼻艏的砰擊壓力時(shí)歷曲線(xiàn)以及載荷分布特性。本文的內(nèi)容主要有以下幾個(gè)方面：

（1）介紹了模擬砰擊所需的技術(shù)背景，熟悉動(dòng)網(wǎng)格原理以及多相流各自的優(yōu)缺點(diǎn)以及適用范圍，為實(shí)現(xiàn)砰擊奠定基礎(chǔ)；

（2）對(duì)二維楔形體不同斜升角恒速下落的砰擊入水進(jìn)行了仿真計(jì)算，并與理論值和實(shí)驗(yàn)值做比較，然后對(duì)不同密度的楔形體自由入水進(jìn)行了模擬探討了密度對(duì)速度曲線(xiàn)以及砰擊壓力的影響；

（3）利用切片法對(duì)三維球鼻艏某幾個(gè)剖面進(jìn)行自由下落入水模擬，得到各自的砰擊壓力特性曲線(xiàn)，然后沿船長(zhǎng)方向積分得到三維球鼻艏砰擊壓力。

2 二維楔形體入水砰擊仿真

為了模擬更加真實(shí)的楔形體入水問(wèn)題，在模擬過(guò)程中，為了簡(jiǎn)化計(jì)算，對(duì)二維楔形體進(jìn)行1DOF計(jì)算，以更加真實(shí)模擬實(shí)際入水情況，在模擬過(guò)程中設(shè)置楔形體不會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，即垂直下落入水，受到砰擊力和浮力作用垂直上升，由于6DOF模型運(yùn)動(dòng)規(guī)律未知，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)就比較困難，因此使用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格技術(shù)，對(duì)楔形體周?chē)鲌?chǎng)進(jìn)行加密處理，以達(dá)到網(wǎng)格控制的適應(yīng)性。在模擬過(guò)程中，為了既能節(jié)省計(jì)算成本，又能準(zhǔn)確捕捉到砰擊力，采用了變步長(zhǎng)技術(shù)。對(duì)于下落前段，即入水前0.1s之前的一段下落距離采用較大的時(shí)間步長(zhǎng)0.005s，對(duì)于入水前期，及在該0.1s時(shí)間段內(nèi)為了準(zhǔn)確計(jì)算出空氣的逃逸，也應(yīng)該選用較短的時(shí)間步長(zhǎng)，此時(shí)設(shè)置的時(shí)間步長(zhǎng)是0.001s，最后入水過(guò)程是模擬的主要目的，因此為了準(zhǔn)確得到砰擊力，按照上文對(duì)時(shí)間步長(zhǎng)的研究，故設(shè)置入水時(shí)期的時(shí)間步長(zhǎng)為0.0005s，已得到較為準(zhǔn)確的砰擊壓力。

網(wǎng)格運(yùn)動(dòng)是通過(guò)設(shè)置質(zhì)量及慣性矩，通過(guò)內(nèi)部求解器自動(dòng)計(jì)算而實(shí)現(xiàn)的，本文選取多種材料的楔形體進(jìn)行模擬，這些材料分別為鋼材，玻璃鋼，合金和木材，基本涵蓋了一般船舶所使用的材料，選取相同剖面，即不同質(zhì)量的楔形體進(jìn)行模擬，相關(guān)數(shù)據(jù)如表1所示。

對(duì)于自由入水楔形體模型處理方式的示意圖如圖1.6所示，在楔形體等速入水過(guò)程中，由于運(yùn)動(dòng)規(guī)律已知，因此編寫(xiě)運(yùn)動(dòng)方程函數(shù)，通過(guò)對(duì)網(wǎng)格運(yùn)動(dòng)進(jìn)行控制，設(shè)置好相關(guān)參數(shù)，便可以實(shí)現(xiàn)楔形體的入水砰擊，但是對(duì)于自由入水問(wèn)題，運(yùn)動(dòng)規(guī)律未知，每一個(gè)時(shí)間步的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)都是根據(jù)流場(chǎng)計(jì)算結(jié)果而待定，所以一方面不僅對(duì)網(wǎng)格數(shù)量必須嚴(yán)格要求，以保證在可以接受的時(shí)間范圍內(nèi)模擬出砰擊結(jié)果，按照?qǐng)D中所示的方法處理之后，忽略了三角楔周?chē)捎诰W(wǎng)格漸進(jìn)變化所需的大量網(wǎng)格，對(duì)網(wǎng)格數(shù)量的控制具有很大的優(yōu)化作用，另一方面，三角楔根部所在的邊界法方向變化非常大，網(wǎng)格生成的質(zhì)量較低，在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，網(wǎng)格在執(zhí)行重畫(huà)功能時(shí)極易出現(xiàn)負(fù)網(wǎng)格從而導(dǎo)致計(jì)算無(wú)法進(jìn)行，或者即使進(jìn)行了，根部的壓力是重點(diǎn)考察區(qū)域，極差的網(wǎng)格質(zhì)量也會(huì)使得最終結(jié)果不可靠，采用如圖所示的模型方案處理之后，根部法向變化平緩了許多，對(duì)網(wǎng)格質(zhì)量的提升也作出了極大貢獻(xiàn)。

對(duì)以上試件依次對(duì)砰擊現(xiàn)象規(guī)律進(jìn)行研究，試件1，2，3密度比水大，入水之后運(yùn)動(dòng)狀態(tài)較為相似，都將往水下運(yùn)動(dòng)，試件4密度比水小，入水之后又會(huì)重新浮到水面直至漂浮在水上，由于后面的運(yùn)動(dòng)過(guò)程與砰擊無(wú)關(guān)，受力也較砰擊壓力小很多，因此不作考慮，以下就是對(duì)各個(gè)試件的砰擊模擬對(duì)照，以討論出不同材料楔形體的砰擊壓力響應(yīng)特性。

通過(guò)對(duì)各個(gè)試件進(jìn)行模擬，得到的砰擊結(jié)果如圖1系列所示：

1-4（a-d）的砰擊模擬結(jié)果為：

試件壓力峰值的曲線(xiàn)比較：

從圖2中可以看出，不同密度的物體砰擊入水所產(chǎn)生的壓力峰值相差不是很大，都處于同一數(shù)量級(jí)，入水之后，即砰擊結(jié)束后，受力的大小也沒(méi)有區(qū)別，但是這些力在數(shù)值上與砰擊壓力大小相比小很多，所以可以不做考慮，同時(shí)從圖中發(fā)現(xiàn)，在與水密度相近的物體在砰擊的時(shí)候壓力振蕩的更加劇烈，比如，相對(duì)試件3，試件4的密度與水更加相近，此時(shí)試件4的振蕩稍微比試件3明顯，特別是在壓力峰值區(qū)域段試件4振蕩的更加厲害，而與水密度相差甚遠(yuǎn)的試件1和試件2的壓力振蕩就不是很明顯，說(shuō)明當(dāng)物體密度與水密度接近時(shí)，振動(dòng)發(fā)生的更加強(qiáng)烈，即產(chǎn)生的噪音也越大，由此得出的結(jié)論為，在入水角及入水速度相同的情況下，密度與水越接近，結(jié)構(gòu)承受的振動(dòng)越劇烈，隨之對(duì)結(jié)構(gòu)的疲勞壽命影響也越大。

從圖3中可以看出，當(dāng)試件密度越大，水對(duì)試件的阻力作用越不明顯，也就是說(shuō)，在相同位置自由下落的楔形體，入水時(shí)的速度是一致的，而且相應(yīng)的砰擊作用時(shí)間也更短，但是入水之后密度較大的試件（試件1）速度減小比較平緩，在經(jīng)過(guò)砰擊壓力作用的一段平穩(wěn)段之后速度基本上又開(kāi)始沿著原來(lái)的規(guī)律上升，說(shuō)明此時(shí)已經(jīng)開(kāi)始結(jié)束砰擊，進(jìn)入繞流段，僅受到流體阻力作用，密度較小的試件（試件4）在砰擊過(guò)程中速度減小較快，而且砰擊階段結(jié)束后速度仍然在緩慢減小，因?yàn)榇藭r(shí)受到流體阻力，浮力以及重力共同作用的結(jié)果。

3 結(jié)論

本文通過(guò) Fluent 軟件對(duì)二維楔形體入水砰擊模型仿真模擬得到最終的理想化方案，并以一大型油船的外飄砰擊模擬和底部入水砰擊模擬進(jìn)行了計(jì)算，得到了相應(yīng)的砰擊壓力系數(shù)，為之后基于規(guī)范的設(shè)計(jì)砰擊載荷進(jìn)行預(yù)報(bào)做準(zhǔn)備，在進(jìn)行二維的油船艏部剖面的模擬過(guò)程中，得出以下結(jié)論：

（1）通過(guò)對(duì)楔形體入水砰擊進(jìn)行仿真計(jì)算，通過(guò)與文獻(xiàn)值和理論解的比較，發(fā)現(xiàn)精度滿(mǎn)足要求，提出了一套基于 Fluent 預(yù)報(bào)砰擊壓力的方法；

（2）對(duì)于船舶來(lái)說(shuō)，艏底入水砰擊載荷比其它任何形式的砰擊載荷要強(qiáng)烈的多，而且作用時(shí)間非常短，必須進(jìn)行強(qiáng)度評(píng)估；

（3）對(duì)于大型油船來(lái)說(shuō)，雖然外飄砰擊壓力在數(shù)值上相對(duì)于底部入水砰擊的壓力值要小得多，但是外飄砰擊對(duì)船體作用時(shí)間長(zhǎng)，因此在進(jìn)行強(qiáng)度校核的時(shí)候還應(yīng)該考慮外飄砰擊對(duì)船舶的損害程度。