浮體在大幅波浪中的運(yùn)動(dòng)和荷載計(jì)算研究.pdf

1、船舶和海洋平臺(tái)在波浪中運(yùn)動(dòng)和荷載的數(shù)值分析和研究,具有重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值.隨著我國國民經(jīng)濟(jì)持續(xù)高速增長,對水運(yùn)和海洋工程的要求也日益提高,新船型和新型海洋平臺(tái)不斷出現(xiàn),原有的規(guī)范已經(jīng)逐漸不能滿足新型船舶和海洋結(jié)構(gòu)物的安全性計(jì)算的需要.尤其是隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和結(jié)構(gòu)分析方法的進(jìn)步,為結(jié)構(gòu)三維有限元分析和可靠性分析提供波浪載荷的要求越來越多.這就對波浪載荷和運(yùn)動(dòng)計(jì)算預(yù)報(bào)方法提出了新的要求.本文以勢流理論為基礎(chǔ),開發(fā)了基于NURBS的

2、邊界元法計(jì)算程序,應(yīng)用頻域格林函數(shù)法和時(shí)域完全非線性方法,對船舶和海洋結(jié)構(gòu)物在非線性波浪中產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)和載荷問題進(jìn)行了理論研究和數(shù)值計(jì)算.浮體與波浪的相互作用計(jì)算十分復(fù)雜,尤其時(shí)域方法的計(jì)算量是十分巨大的.因此,提出和建立一個(gè)準(zhǔn)確、高效的數(shù)值方法是十分必要的.本文首先開發(fā)了基于NURBS的邊界元法計(jì)算程序.NURBS方法可以精確地表示復(fù)雜的三維空間物體,利用NURBS方法,可以方便準(zhǔn)確的表達(dá)多種復(fù)雜的三維空間曲面和三維實(shí)體;應(yīng)用基于NUR

3、BS的邊界元法,能夠保證面元邊界上的幾何連續(xù)性和物體表面速度勢及其導(dǎo)數(shù)的連續(xù)性,并能方便的計(jì)算物體表面上的流體速度.基于NURBS的邊界元法相對于傳統(tǒng)的常數(shù)元方法計(jì)算結(jié)果更加精確,可以用較少的網(wǎng)格數(shù)量得到同樣精度的結(jié)果,這樣就降低了對CPU速度和內(nèi)存的要求.目前,NURBS已經(jīng)廣泛的用于CAD軟件中,并可方便的產(chǎn)生物體表面的網(wǎng)格,這些網(wǎng)格可直接作為面元用于流體力學(xué)計(jì)算,方便了CAD和CFD系統(tǒng)的集成.本文對基于NURBS的高階邊界元法進(jìn)

4、行了研究,建立和開發(fā)了高階邊界元方法計(jì)算程序,計(jì)算了無限域中物體繞流問題,對建立線性方程組的配置點(diǎn)法和Galerkin法進(jìn)行了比較,并將計(jì)算結(jié)果與理論解進(jìn)行了比較驗(yàn)證.應(yīng)用基于NURBS的邊界元法,本文對頻域中浮體在波浪中的水動(dòng)力系數(shù)、運(yùn)動(dòng)和荷載進(jìn)行了計(jì)算,并同已有的數(shù)值結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比較.對于航行船舶的耐波性問題,由于頻域三維移動(dòng)脈動(dòng)源格林函數(shù)的復(fù)雜性,目前在實(shí)際計(jì)算中應(yīng)用很少,常用方法還是二維的切片法.本文對該格林函數(shù)的數(shù)值計(jì)

5、算進(jìn)行了研究,應(yīng)用分區(qū)自適應(yīng)步長辛普森法積分和積分變換的方法,得到了滿足精度和速度要求的有效算法.對浮體在波浪中的荷載與波浪參數(shù)的關(guān)系進(jìn)行了計(jì)算和對比分析,并對船舶遭遇海況的超越概率和波浪載荷的長期分布進(jìn)行了計(jì)算.在時(shí)域計(jì)算中,本文采用混合歐拉-拉格朗日法對三維完全非線性波浪進(jìn)行了分析.計(jì)算中每一時(shí)刻的邊界條件在真實(shí)物面和自由表面上滿足,使用基于NURBS的邊界元法計(jì)算流場內(nèi)的速度勢,然后將得到的速度勢帶入自由表面條件和物體運(yùn)動(dòng)方程,采

6、用四階Adams-Bashforth-Moulton法和四階庫塔-龍格方法時(shí)間步進(jìn).輻射邊界條件采用在外邊界加人工阻尼層的方法處理.對于自由運(yùn)動(dòng)物體的受力計(jì)算中物面上速度勢的時(shí)間導(dǎo)數(shù)的計(jì)算問題.使用迭代法建立求解物面上速度勢的時(shí)間導(dǎo)數(shù)的積分方程,對于物面網(wǎng)格較多的模型,可以提高計(jì)算的速度.利用該數(shù)值模型對波浪水槽中的波浪產(chǎn)生和衰減,波浪與固定物體和運(yùn)動(dòng)物體的相互作用進(jìn)行了計(jì)算研究.數(shù)值計(jì)算表明,該方法在數(shù)值上是穩(wěn)定的,基于本方法實(shí)現(xiàn)的數(shù)