三体船波浪载荷研究与结构强度有限元分析

发布时间：2017-07-19 08:03

  本文关键词：三体船波浪载荷研究与结构强度有限元分析

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【摘要】：21世纪初，英国军方开始研究三体船并将其作为未来军舰替代型式，引起世界各国广泛关注，关于三体船的各种研究开始蓬勃发展起来。三体船的设计理念是通过超瘦长主体改进船舶的阻力性能，提高快速性，并改善耐波性、操纵性等航行性能，在主体两侧布置片体解决主体稳性不足的问题并增大甲板载货面积。三体船的研究主要集中在阻力与适航性方面，特别是在阻力计算以及基于最小阻力原则的片体布局优化等问题上研究较为深入，而关于三体船波浪载荷和结构强度的研究相对较少。本文对三体船波浪载荷和结构强度特性两方面进行更深层次的分析探讨，对现有的研究成果补足完善，主要工作有三项：系统分析三体船的各项基本波浪载荷特性；基于波浪载荷最小的片体布局优化和航速优选研究；考虑波浪动压力效应和三体船的结构复杂性，进行准静态全船结构有限元计算，，研究分析三体船结构强度特性，得出对结构强度最有利的片体布局方案。 利用三维时域Rankine源法对三体船波浪载荷进行数值计算，结合北大西洋海浪资料进行长期预报，基于长期预报的结果进行波浪载荷特性和片体布局优化、航速优选研究。分析发现，与总纵弯曲相关的总纵弯矩和垂向剪力主要由主体决定，片体对其影响很小；总纵扭矩和连接桥载荷主要与片体相关，主体对其影响非常小；片体距船尾35%L~40%L是基于波浪载荷最小的最佳片体布局方案；中高速（Fn=0.25~0.4）下三体船上的波浪载荷比较小，有利于三体船结构强度。 对三体船的结构强度的分析发现，总纵弯曲时，在三体船船中区域的上甲板和船底板上应力很大，连接桥与主体连接端点出现应力集中，不考虑应力集中效应，在船底板上出现最大应力；纵向扭转、横向弯曲和横向扭转时，贯通舱与主体、连接桥下甲板相交点应力最大；片体距船尾1/3L~1/2L是最有利于三体船结构强度的布局方案。 本文综合研究了三体船的波浪载荷和结构强度特性，得到的一些结论可为三体船的设计和进一步研究提供技术参考。
【关键词】：三体船 Rankine源时域法 波浪载荷 片体布局优化 航速优选 全船结构有限元分析
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：U674.951;U661.4
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-12
• 第一章 绪论12-28
• 1.1 课题研究背景12-21
• 1.1.1 发展高性能船舶的必要12-13
• 1.1.2 三体船船型特点13-14
• 1.1.3 三体船性能优点14-16
• 1.1.4 高速三体船发展概况16-21
• 1.2 高速三体船国内外研究现状21-26
• 1.2.1 引言21
• 1.2.2 阻力计算研究进展21-22
• 1.2.3 三体船优化研究进展22-23
• 1.2.4 三体船运动与波浪载荷研究进展23-25
• 1.2.5 结构强度与设计研究进展25-26
• 1.3 论文研究内容及意义26-28
• 第二章 三体船波浪载荷数值计算方法28-41
• 2.1 势流理论基本假定28
• 2.2 坐标系和运动量定义28-29
• 2.3 船舶在波浪中的运动和载荷响应29-32
• 2.3.1 船舶稳态运动方程29-31
• 2.3.2 单位长度船体上的刚体惯性力31
• 2.3.3 船体横剖面内的力和力矩31-32
• 2.4 三维时域 Rankine 源法32-40
• 2.4.1 基本数值方程33
• 2.4.2 线性边界条件33-36
• 2.4.3 速度势分解36-38
• 2.4.4 边界积分方程与面元法38
• 2.4.5 速度势的数值处理38-40
• 2.5 本章小结40-41
• 第三章 三体船的波浪载荷特性研究41-68
• 3.1 三体船波浪载荷特点41-42
• 3.1.1 船体结构强度与载荷41
• 3.1.2 三体船结构强度与波浪载荷41-42
• 3.2 三体船波浪载荷计算分析42
• 3.3 波浪载荷预报研究42-46
• 3.3.1 运动方程的数值处理43-44
• 3.3.2 海浪谱形式44
• 3.3.3 短期预报44-45
• 3.3.4 海浪统计资料45
• 3.3.5 长期预报45-46
• 3.4 三体船水动力计算模型46-53
• 3.4.1 三体船船型参数46-48
• 3.4.2 水动力模型48-51
• 3.4.3 波浪环境条件51
• 3.4.4 虚拟弹簧系统51-52
• 3.4.5 载荷计算参数52-53
• 3.5 数值结果与规范计算比较53-58
• 3.5.1 三体船波浪载荷规范公式53-55
• 3.5.2 数值与规范计算结果对比55-58
• 3.6 三体船波浪载荷特性58-66
• 3.6.1 沿船长的分布特性分析58-61
• 3.6.2 随浪向的分布特性分析61-63
• 3.6.3 幅频响应与设计波63-66
• 3.7 本章小结66-68
• 第四章 体布局和航速对波浪载荷的影响68-85
• 4.1 引言68-71
• 4.1.1 片体干扰以及航速效应68
• 4.1.2 计算模型及参数设置68-71
• 4.2 片体位置和航速对总体载荷分布特性的影响71-74
• 4.2.1 沿船长的分布的影响71-72
• 4.2.2 随浪向的分布的影响72-74
• 4.3 片体位置和航速对纵向扭矩分布特性的影响74-76
• 4.3.1 沿船长分布的影响74-76
• 4.3.2 随浪向分布的影响76
• 4.4 片体位置和航速对连接桥载荷分布特性的影响76-78
• 4.5 片体位置对载荷大小的影响78-80
• 4.6 航速对载荷大小的的影响80-81
• 4.7 片体位置及航速影响系数研究81-84
• 4.8 本章小结84-85
• 第五章 三体船的结构强度有限元分析85-106
• 5.1 引言85
• 5.2 实船结构尺寸参数85-87
• 5.3 全船结构有限元模型87-90
• 5.3.1 单元特性87-88
• 5.3.2 有限元模型88-89
• 5.3.3 边界条件89-90
• 5.4 载荷加载工况90-92
• 5.4.1 等效设计波法90
• 5.4.2 设计波参数90-91
• 5.4.3 设计波下剖面载荷91-92
• 5.5 三体船结构强度特性分析92-96
• 5.5.1 总纵弯曲工况 LC1 分析92-94
• 5.5.2 横向弯曲工况 LC3 分析94-96
• 5.6 基于结构强度的片体布局优化96-104
• 5.6.1 引言96-97
• 5.6.2 计算模型及参数97-98
• 5.6.3 总纵弯曲强度比较分析98-100
• 5.6.4 总纵扭转强度比较分析100-102
• 5.6.5 横向弯扭强度比较分析102-104
• 5.7 本章小结104-106
• 第六章 总结与展望106-109
• 6.1 主要工作与创新点106-108
• 6.2 后续研究工作108-109
• 参考文献109-114
• 致谢114-116
• 攻读硕士学位期间已发表或录用的论文116

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

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本文编号：561823