【摘 要】
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入水问题的研究在船舶水动力学和海洋工程等领域有着重要的现实意义。其过程涉及瞬时的强非线性砰击,很多情况下对于结构的影响较为明显,会有流固耦合效应伴随于砰击过程中,
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入水问题的研究在船舶水动力学和海洋工程等领域有着重要的现实意义。其过程涉及瞬时的强非线性砰击,很多情况下对于结构的影响较为明显,会有流固耦合效应伴随于砰击过程中,增加计算的困难程度。在本文工作中,采用基于流固耦合思想的WCSPH-SPIM耦合方法对船舶等结构物入水问题进行数值模拟。作为无网格粒子法的典型代表,弱可压光滑粒子流体动力学方法(WCSPH)具有的拉格朗日性质,在涉及自由液面的冲击问题应用中凸显优势,结合适于复杂结构和大变形问题的光滑点插值法(SPIM),引入虚粒子构造流固耦合WCSPH-SPIM求解程序。首先,通过刚性入水问题、斜板低速入水和楔形体高速入水问题,分别对WCSPH方法和WCSPH-SPIM流固耦合进行验证;计算结果显示与实验值或半解析解吻合较好、压力分布均匀、且自由液面细节刻画准确,确认WCSPH-SPIM流固耦合程序具备模拟弹性结构入水问题的能力。其次,引入前处理优化、坐标转换以及流固耦合力的精确处理一系列改进,使得WCSPH-SPIM程序能够解决复杂曲面和倾斜入水问题。利用改进后的程序,计算内凹形、外凸形、普通楔形及反曲形曲面在其他条件相同下的受力、变形以及流场演变情况。本文计算结果显示,普通楔形瞬时压力峰值小于外凸形及内凹形,变形小于反曲形,减缓瞬时冲击压力表现最优。最后,介绍了不对称冲击与AB类冲击类型,并分析几何和运动不对称入水引发AB类冲击的影响机制,将刚体不对称模拟与实验结果进行对比,自由液面情况与实验图像吻合良好。横纵向速度比越大、倾斜角度越大则越易于引发B类冲击。为楔形体赋予弹性材料特征后模拟各种情况下不对称入水问题,得出弹性对AB类冲击的转换影响较小,主要作用于迎流侧使楔形体弯曲,进而改变高压区压力分布的结论。
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