船舶球鼻艏的砰击压力曲线以及载荷分布特性

    濮天欢

    摘 要：本文以二维楔形体等速砰击入水为引，通过与理论数值及实验数据进行对照，发现精度满足工程需要，然后以此为基础，模拟了自由下落的楔形体的入水砰击响应，同时还选取了一艘油船的球鼻艏进行砰击模拟，将三维砰击问题简化为二维剖面的砰击最后积分得到最终三维球鼻艏的砰击压力时历曲线以及载荷分布特性。

    关键词：楔形体；砰击压力；球鼻艏；Fluent

    中图分类号：U661.4 文献标识码：A 文章编号：1006—7973（2017）04-0042-02

    1 研究对象

    船舶的砰击是一个非常严重但是又常见的问题，砰击是船舶在航行过程中经常遇到的现象，它具有很大的危害性，船舶在发生砰击时，不仅承受着瞬间极大的砰击载荷，而且砰击发生过程中，伴有压力脉冲，对结构寿命也有很大的影响，因此深入研究并准确预报出船舶的砰击现象，并完善相关理论，以保证航行过程中的安全性，具有很重要的意义，砰击现象在船舶领域通常分为三种类型，一种是船底砰击，一种是外张砰击，还有一种就是甲板上浪。Fluent软件中对动网格技术对运动物体的控制以及VOF法对自由液面的捕捉，完全可以独立完成砰击的整个过程，但是研究多停留在流场，速度的变化情况以及自由液面的选取，很少有对结构砰击响应进行研究的，本文即以二维楔形体等速砰击入水为引，通过与理论数值及实验数据进行对照，发现精度满足工程需要，然后以此为基础，模拟了自由下落的楔形体的入水砰击响应，同时还选取了一艘油船的球鼻艏进行砰击模拟，将三维砰击问题简化为二维剖面的砰击最后积分得到最终三维球鼻艏的砰击压力时历曲线以及载荷分布特性。本文的内容主要有以下几个方面：

    （1）介绍了模拟砰击所需的技术背景，熟悉动网格原理以及多相流各自的优缺点以及适用范围，为实现砰击奠定基础；

    （2）对二维楔形体不同斜升角恒速下落的砰击入水进行了仿真计算，并与理论值和实验值做比较，然后对不同密度的楔形体自由入水进行了模拟探讨了密度对速度曲线以及砰击压力的影响；

    （3）利用切片法对三维球鼻艏某几个剖面进行自由下落入水模拟，得到各自的砰击压力特性曲线，然后沿船长方向积分得到三维球鼻艏砰击压力。

    2 二维楔形体入水砰击仿真

    为了模拟更加真实的楔形体入水问题，在模拟过程中，为了简化计算，对二维楔形体进行1DOF计算，以更加真实模拟实际入水情况，在模拟过程中设置楔形体不会发生转动，即垂直下落入水，受到砰击力和浮力作用垂直上升，由于6DOF模型运动规律未知，实现运动就比较困难，因此使用非结构网格技术，对楔形体周围流场进行加密处理，以达到网格控制的适应性。在模拟过程中，为了既能节省计算成本，又能准确捕捉到砰击力，采用了变步长技术。对于下落前段，即入水前0.1s之前的一段下落距离采用较大的时间步长0.005s，对于入水前期，及在该0.1s时间段内为了准确计算出空气的逃逸，也应该选用较短的时间步长，此时设置的时间步长是0.001s，最后入水过程是模拟的主要目的，因此为了准确得到砰击力，按照上文对时间步长的研究，故设置入水时期的时间步长为0.0005s，已得到较为准确的砰击压力。

    网格运动是通过设置质量及惯性矩，通过内部求解器自动计算而实现的，本文选取多种材料的楔形体进行模拟，这些材料分别为钢材，玻璃钢，合金和木材，基本涵盖了一般船舶所使用的材料，选取相同剖面，即不同质量的楔形体进行模拟，相关数据如表1所示。

    对于自由入水楔形体模型处理方式的示意图如图1.6所示，在楔形体等速入水过程中，由于运动规律已知，因此编写运动方程函数，通过对网格运动进行控制，设置好相关参数，便可以实现楔形体的入水砰击，但是对于自由入水问题，运动规律未知，每一个时间步的运动状态都是根据流场计算结果而待定，所以一方面不仅对网格数量必须严格要求，以保证在可以接受的时间范围内模拟出砰击结果，按照图中所示的方法处理之后，忽略了三角楔周围由于网格渐进变化所需的大量网格，对网格数量的控制具有很大的优化作用，另一方面，三角楔根部所在的边界法方向变化非常大，网格生成的质量较低，在运动过程中，网格在执行重画功能时极易出现负网格从而导致计算无法进行，或者即使进行了，根部的压力是重点考察区域，极差的网格质量也会使得最终结果不可靠，采用如图所示的模型方案处理之后，根部法向变化平缓了许多，对网格质量的提升也作出了极大贡献。

    对以上试件依次对砰击现象规律进行研究，试件1，2，3密度比水大，入水之后运动状态较为相似，都将往水下运动，试件4密度比水小，入水之后又会重新浮到水面直至漂浮在水上，由于后面的运动过程与砰击无关，受力也较砰击压力小很多，因此不作考虑，以下就是对各个试件的砰击模拟对照，以讨论出不同材料楔形体的砰击压力响应特性。

    通过对各个试件进行模拟，得到的砰击结果如图1系列所示：

    1-4（a-d）的砰击模拟结果为：

    试件压力峰值的曲线比较：

    從图2中可以看出，不同密度的物体砰击入水所产生的压力峰值相差不是很大，都处于同一数量级，入水之后，即砰击结束后，受力的大小也没有区别，但是这些力在数值上与砰击压力大小相比小很多，所以可以不做考虑，同时从图中发现，在与水密度相近的物体在砰击的时候压力振荡的更加剧烈，比如，相对试件3，试件4的密度与水更加相近，此时试件4的振荡稍微比试件3明显，特别是在压力峰值区域段试件4振荡的更加厉害，而与水密度相差甚远的试件1和试件2的压力振荡就不是很明显，说明当物体密度与水密度接近时，振动发生的更加强烈，即产生的噪音也越大，由此得出的结论为，在入水角及入水速度相同的情况下，密度与水越接近，结构承受的振动越剧烈，随之对结构的疲劳寿命影响也越大。

    从图3中可以看出，当试件密度越大，水对试件的阻力作用越不明显，也就是说，在相同位置自由下落的楔形体，入水时的速度是一致的，而且相应的砰击作用时间也更短，但是入水之后密度较大的试件（试件1）速度减小比较平缓，在经过砰击压力作用的一段平稳段之后速度基本上又开始沿着原来的规律上升，说明此时已经开始结束砰击，进入绕流段，仅受到流体阻力作用，密度较小的试件（试件4）在砰击过程中速度减小较快，而且砰击阶段结束后速度仍然在缓慢减小，因为此时受到流体阻力，浮力以及重力共同作用的结果。

    3 结论

    本文通过 Fluent 软件对二维楔形体入水砰击模型仿真模拟得到最终的理想化方案，并以一大型油船的外飘砰击模拟和底部入水砰击模拟进行了计算，得到了相应的砰击压力系数，为之后基于规范的设计砰击载荷进行预报做准备，在进行二维的油船艏部剖面的模拟过程中，得出以下结论：

    （1）通过对楔形体入水砰击进行仿真计算，通过与文献值和理论解的比较，发现精度满足要求，提出了一套基于 Fluent 预报砰击压力的方法；

    （2）对于船舶来说，艏底入水砰击载荷比其它任何形式的砰击载荷要强烈的多，而且作用时间非常短，必须进行强度评估；

    （3）对于大型油船来说，虽然外飘砰击压力在数值上相对于底部入水砰击的压力值要小得多，但是外飘砰击对船体作用时间长，因此在进行强度校核的时候还应该考虑外飘砰击对船舶的损害程度。