船舶球鼻艏的砰擊壓力曲線以及載荷分布特性

濮天歡

摘 要：本文以二維楔形體等速砰擊入水為引，通過與理論數值及實驗數據進行對照，發現精度滿足工程需要，然后以此為基礎，模擬了自由下落的楔形體的入水砰擊響應，同時還選取了一艘油船的球鼻艏進行砰擊模擬，將三維砰擊問題簡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歷曲線以及載荷分布特性。

關鍵詞：楔形體；砰擊壓力；球鼻艏；Fluent

中圖分類號：U661.4 文獻標識碼：A 文章編號：1006—7973（2017）04-0042-02

1 研究對象

船舶的砰擊是一個非常嚴重但是又常見的問題，砰擊是船舶在航行過程中經常遇到的現象，它具有很大的危害性，船舶在發生砰擊時，不僅承受著瞬間極大的砰擊載荷，而且砰擊發生過程中，伴有壓力脈沖，對結構壽命也有很大的影響，因此深入研究并準確預報出船舶的砰擊現象，并完善相關理論，以保證航行過程中的安全性，具有很重要的意義，砰擊現象在船舶領域通常分為三種類型，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軟件中對動網格技術對運動物體的控制以及VOF法對自由液面的捕捉，完全可以獨立完成砰擊的整個過程，但是研究多停留在流場，速度的變化情況以及自由液面的選取，很少有對結構砰擊響應進行研究的，本文即以二維楔形體等速砰擊入水為引，通過與理論數值及實驗數據進行對照，發現精度滿足工程需要，然后以此為基礎，模擬了自由下落的楔形體的入水砰擊響應，同時還選取了一艘油船的球鼻艏進行砰擊模擬，將三維砰擊問題簡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歷曲線以及載荷分布特性。本文的內容主要有以下幾個方面：

（1）介紹了模擬砰擊所需的技術背景，熟悉動網格原理以及多相流各自的優缺點以及適用范圍，為實現砰擊奠定基礎；

（2）對二維楔形體不同斜升角恒速下落的砰擊入水進行了仿真計算，并與理論值和實驗值做比較，然后對不同密度的楔形體自由入水進行了模擬探討了密度對速度曲線以及砰擊壓力的影響；

（3）利用切片法對三維球鼻艏某幾個剖面進行自由下落入水模擬，得到各自的砰擊壓力特性曲線，然后沿船長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

為了模擬更加真實的楔形體入水問題，在模擬過程中，為了簡化計算，對二維楔形體進行1DOF計算，以更加真實模擬實際入水情況，在模擬過程中設置楔形體不會發生轉動，即垂直下落入水，受到砰擊力和浮力作用垂直上升，由于6DOF模型運動規律未知，實現運動就比較困難，因此使用非結構網格技術，對楔形體周圍流場進行加密處理，以達到網格控制的適應性。在模擬過程中，為了既能節省計算成本，又能準確捕捉到砰擊力，采用了變步長技術。對于下落前段，即入水前0.1s之前的一段下落距離采用較大的時間步長0.005s，對于入水前期，及在該0.1s時間段內為了準確計算出空氣的逃逸，也應該選用較短的時間步長，此時設置的時間步長是0.001s，最后入水過程是模擬的主要目的，因此為了準確得到砰擊力，按照上文對時間步長的研究，故設置入水時期的時間步長為0.0005s，已得到較為準確的砰擊壓力。

網格運動是通過設置質量及慣性矩，通過內部求解器自動計算而實現的，本文選取多種材料的楔形體進行模擬，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，即不同質量的楔形體進行模擬，相關數據如表1所示。

對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程中，由于運動規律已知，因此編寫運動方程函數，通過對網格運動進行控制，設置好相關參數，便可以實現楔形體的入水砰擊，但是對于自由入水問題，運動規律未知，每一個時間步的運動狀態都是根據流場計算結果而待定，所以一方面不僅對網格數量必須嚴格要求，以保證在可以接受的時間范圍內模擬出砰擊結果，按照圖中所示的方法處理之后，忽略了三角楔周圍由于網格漸進變化所需的大量網格，對網格數量的控制具有很大的優化作用，另一方面，三角楔根部所在的邊界法方向變化非常大，網格生成的質量較低，在運動過程中，網格在執行重畫功能時極易出現負網格從而導致計算無法進行，或者即使進行了，根部的壓力是重點考察區域，極差的網格質量也會使得最終結果不可靠，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，對網格質量的提升也作出了極大貢獻。

對以上試件依次對砰擊現象規律進行研究，試件1，2，3密度比水大，入水之后運動狀態較為相似，都將往水下運動，試件4密度比水小，入水之后又會重新浮到水面直至漂浮在水上，由于后面的運動過程與砰擊無關，受力也較砰擊壓力小很多，因此不作考慮，以下就是對各個試件的砰擊模擬對照，以討論出不同材料楔形體的砰擊壓力響應特性。

通過對各個試件進行模擬，得到的砰擊結果如圖1系列所示：

1-4（a-d）的砰擊模擬結果為：

試件壓力峰值的曲線比較：

從圖2中可以看出，不同密度的物體砰擊入水所產生的壓力峰值相差不是很大，都處于同一數量級，入水之后，即砰擊結束后，受力的大小也沒有區別，但是這些力在數值上與砰擊壓力大小相比小很多，所以可以不做考慮，同時從圖中發現，在與水密度相近的物體在砰擊的時候壓力振蕩的更加劇烈，比如，相對試件3，試件4的密度與水更加相近，此時試件4的振蕩稍微比試件3明顯，特別是在壓力峰值區域段試件4振蕩的更加厲害，而與水密度相差甚遠的試件1和試件2的壓力振蕩就不是很明顯，說明當物體密度與水密度接近時，振動發生的更加強烈，即產生的噪音也越大，由此得出的結論為，在入水角及入水速度相同的情況下，密度與水越接近，結構承受的振動越劇烈，隨之對結構的疲勞壽命影響也越大。

從圖3中可以看出，當試件密度越大，水對試件的阻力作用越不明顯，也就是說，在相同位置自由下落的楔形體，入水時的速度是一致的，而且相應的砰擊作用時間也更短，但是入水之后密度較大的試件（試件1）速度減小比較平緩，在經過砰擊壓力作用的一段平穩段之后速度基本上又開始沿著原來的規律上升，說明此時已經開始結束砰擊，進入繞流段，僅受到流體阻力作用，密度較小的試件（試件4）在砰擊過程中速度減小較快，而且砰擊階段結束后速度仍然在緩慢減小，因為此時受到流體阻力，浮力以及重力共同作用的結果。

3 結論

本文通過 Fluent 軟件對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行了計算，得到了相應的砰擊壓力系數，為之后基于規范的設計砰擊載荷進行預報做準備，在進行二維的油船艏部剖面的模擬過程中，得出以下結論：

（1）通過對楔形體入水砰擊進行仿真計算，通過與文獻值和理論解的比較，發現精度滿足要求，提出了一套基于 Fluent 預報砰擊壓力的方法；

（2）對于船舶來說，艏底入水砰擊載荷比其它任何形式的砰擊載荷要強烈的多，而且作用時間非常短，必須進行強度評估；

（3）對于大型油船來說，雖然外飄砰擊壓力在數值上相對于底部入水砰擊的壓力值要小得多，但是外飄砰擊對船體作用時間長，因此在進行強度校核的時候還應該考慮外飄砰擊對船舶的損害程度。