计及弹性效应的砰击压力计算

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随着大型船舶航速的不断提高和高性能船舶(滑行艇、气垫船和双体船等)的广泛应用,砰击这一物理现象的发生更加频繁。以往的砰击理论,大多是假定船体为刚体。实际上,砰击发生时,一方面流体会对结构产生强大的冲击水动力,另一方面,结构响应也会反过来对流场产生显著的影响,因此两者之间存在着强烈的耦合作用。本文关于底部砰击的研究内容包括三个方面:楔形结构的水弹性分析,平底结构的水弹性分析,以及计及弹性效应后底部结构优化中应注意的一些问题。针对楔形结构,首先基于正交各向异性板理论,通过对广义Wagner理论的推广,考虑结构与流体的相互作用,即考虑结构的平均变形速度和加速度对流场的影响,得出了一组耦合方程;然后应用Vlasov/Galevkin方法求解了板的微分方程,采用数值算法通过FORTRAN语言编制程序,计算了楔形板架结构的应变值,并与试验结果进行了比较,验证了程序的正确性和可信性;在此基础上,最后分别计算了结构在入水速度、底倾角、板厚变化情况下考虑与不考虑弹性效应的砰击压力,得出弹性效应的影响系数。分析表明,结构在入水冲击时所产生的弹性效应,会减缓冲击压力的数值。针对平底结构,首先借鉴了有关资料一些刚体模型的试验结果和仿真结果,确定平底结构在入水时各处的砰击压力,以及压力的持续时间;然后应用大型有限元软件MSC.PATRAN/NASTRAN,通过求解作用在平板结构上的三角形脉冲载荷的振动响应,采用工程上的近似处理,得到考虑结构弹性效应后的砰击压力,并将计算结果与弹性模型的试验值进行了比较;最后针对结构在不同速度、板厚和弹性模量的情况下,计算了在考虑弹性效应前后的砰击压力,总结出弹性效应随这些量的变化规律。最后,结合某规范,说明当在砰击载荷计算中考虑弹性效应后,船底结构优化设计中应注意的一些问题。
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