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2015年  第10卷  第1期

《中国舰船研究》2015年第1期目录
《中国舰船研究》编辑部
2015, 10(1): .
摘要:
[1]新一代水面舰艇作战系统发展理念及途径…董晓明(1)
[2]船体结构砰击总体载荷理论研究综述…汪雪良, 杨鹏, 顾学康, 胡嘉骏(7)
[3]水动力载荷下复合材料螺旋桨强度评估…陈悦, 朱锡, 黄政, 周振龙(19)
[4]一种复合材料—钢连接结构极限承载能力试验与数值研究…孙九霄, 郑绍文, 蔡敬标(27)
[5]水下近场爆炸双层防护结构抗爆能力的数值模拟分析…陈崧, 杨雄辉, 唐文勇, 郭娅, 苏怡然(32)
[6]基于UMAT的冰—结构相互作用数值仿真…吕保达, 刘敬喜, 解德, 龚榆峰(39)
[7]加筋板弹塑性断裂的J积分计算…王红 , 杨平, 邓军林, 董琴(46)
[8]残余应力对水下耐压结构典型焊接接头疲劳强度的影响…张沛心, 李良碧(51)
[9]三维PIV应用于船舶精细流场测试研究进展…李茂华, 龚杰(58)
[10]直接边界元法解势流速度场问题…李井煜, 卢晓平, 赵鹏伟(68)
[11]波浪中船舶操纵性数值预报及自航模验证…朱冬健, 马宁, 顾解忡, 邓德衡(76)
[12]螺旋桨轴承力计算方法的对比分析…朱鹏, 毕毅, 叶金铭(83)
[13]FPSO液舱晃荡与船舶时域耦合运动数值模拟…操戈, 李旭, 张咏鸥, 王康(88)
[14]船艉开槽型安装船及其运动特性数值分析…刘旭平, 唐友刚, 张少洋(97)
[15]水下航行器固有频率模型的可靠性分析…刘克勤, 李天匀, 朱翔, 黄惜春(103)
[16]基于改进FBS理论的浮筏隔振系统计算方法…游彩霞, 张光德, 何雪松, 胡溧(109)
[17]新型封闭式桅杆空调系统数值仿真及实验验证…陈红超, 宋靠华, 李栋, 王吉(114)
[18]摇摆运动对过冷沸腾传热特性影响的机理分析…郑福明, 王畅(121)
[19]消磁绕组磁场与钢板磁化的关系分析…吴子瑕(126)
新一代水面舰艇作战系统发展理念及途径
董晓明
2015, 10(1): 1-6. doi: 10.3969/j.issn.1673-3185.2015.01.001
摘要:

新一代水面舰艇作战系统在增强单艘舰艇作战效能的同时,更强调根据使命任务灵活配置,突出其在体系作战中的节点作用。以美海军全舰计算环境(TSCE)、综合海上网络和企业服务(CANES)项目为例,分析国外现状及发展趋势,提出可借鉴美海军舰艇研制的先进设计理念与实现方式,以推进全舰计算环境建设作为作战系统的发展途径,重点是遵循开放式体系结构、构建面向服务的公共计算环境、采用商用成熟技术等。作战系统通过体系规划、顶层设计和跨平台系统集成,使各类水面舰艇有机融合,有利于发挥出海军体系作战的整体效能。

船体结构砰击总体载荷理论研究综述
汪雪良, 杨鹏, 顾学康, 胡嘉骏
2015, 10(1): 7-18. doi: 10.3969/j.issn.1673-3185.2015.01.002
摘要:

船体结构遭受的波浪砰击载荷是一种强非线性的流体与结构之间的相互作用。砰击将导致船体主要按其两节点湿谐振频率发生振动,这种船体梁的总振动即为颤振。它往往引起船体结构的极限强度问题和疲劳损伤问题,这两种问题在船舶结构设计领域不可回避。从理论研究方面对船舶的砰击总体载荷进行综述,分析二维理论和三维理论在预报船体结构砰击总体载荷方面的优缺点。分析表明:虽然二维理论在该领域的应用已超过50年,但理论中基本假设和数学模型的局限性制约了其在肥大型船、多体船和海洋平台等领域的广泛应用;三维理论能突破二维理论的基本假设和数学模型的局限性,能在更加广泛的工程领域内得到应用。考虑外飘等非线性影响的三维时域水弹性理论能更加精确地预报砰击载荷,是船体结构砰击总体载荷理论研究的重要发展方向之一。

水动力载荷下复合材料螺旋桨强度评估
陈悦, 朱锡, 黄政, 周振龙
2015, 10(1): 19-26. doi: 10.3969/j.issn.1673-3185.2015.01.003
摘要:
为开展水动力载荷下复合材料螺旋桨强度评估研究,首先采用ANSYS/CFD计算螺旋桨流体模型在设计工况下的水动力载荷,并基于ABAQUS软件通过编码INP文件将水动力载荷施加于螺旋桨结构强度模型上;然后基于Hashin失效准则,分析不同铺层角下螺旋桨可能出现的失效模式,进行复合材料螺旋桨结构强度的评估分析; 最后, 依据应力等效原则, 将水动压力载荷等效为集中载荷,开展模型桨静强度试验和仿真计算。结果显示: 仿真计算结果与试验结果吻合良好, 最大误差在9%以内, 验证了复合材料螺旋桨强度评估方法的可靠性。
一种复合材料—钢连接结构极限承载能力试验与数值研究
孙九霄, 郑绍文, 蔡敬标
2015, 10(1): 27-31,45. doi: 10.3969/j.issn.1673-3185.2015.01.004
摘要:

夹芯复合材料因其结构力学性能优异,耐腐蚀,已被广泛运用于船舶行业。首先,以复合材料甲板室中的夹芯复合材料—钢连接结构为对象,通过试验,得到夹层板的载荷位移曲线,推断出夹层板的极限载荷。然后,对经典层合板理论、Reissener夹层板理论、Hoff夹层板理论和杜庆华夹层板理论进行对比分析,并选用Hoff夹层板理论为理论模型,通过有限元软件模拟分析,并与试验结果进行对比,验证了分析结果的可靠性,可为复合材料连接结构设计提供有益的指导。

水下近场爆炸双层防护结构抗爆能力的数值模拟分析
陈崧, 杨雄辉, 唐文勇, 郭娅, 苏怡然
2015, 10(1): 32-38. doi: 10.3969/j.issn.1673-3185.2015.01.005
摘要:

同步考虑水下近场爆炸冲击波载荷与气泡射流载荷的作用,综合分析双层防护结构型式及尺度对其抗爆能力的影响,可为双层防护结构的抗爆设计提供直接技术支持。采用基于欧拉法的气泡动力学程序模拟气泡的近壁脉动过程,基于能量等效原则,将射流水柱对结构的冲击简化为等效的射流载荷,通过编制MSC.Dytran软件子程序,在冲击波数值模拟阶段后自动添加等效射流载荷,实现更接近实际情况的双层防护结构遭受水下近场爆炸过程的数值模拟。以内壳单位板厚变形能表征双层防护结构的抗爆能力强弱,通过改变结构型式与尺寸参数,对不同支撑结构板厚、内壳板厚和内外壳间距下结构的抗爆能力进行批量计算,以结构总重和抗爆能力为双重目标,借鉴多目标优化思想,得到双层结构抗爆能力的最优解集。计算结果表明: 当内外壳厚度及其间距一定时,存在最佳支撑结构板厚;在同等结构重量情况下,Y型双层结构能提供更强的抗爆能力。

基于UMAT的冰—结构相互作用数值仿真
吕保达, 刘敬喜, 解德, 龚榆峰
2015, 10(1): 39-45. doi: 10.3969/j.issn.1673-3185.2015.01.006
摘要:
基于ABAQUS 用户自定义子程序UMAT,采用已有的冰的弹性失效准则,针对冰与结构的相互作用进行数值模拟。首先, 通过简单算例验证本文开发的UMAT的正确性;然后, 采用开发的UMAT建立单个冰单元受刚性板挤压下的力学模型,得到力—位移曲线;最后, 通过建立圆柱与冰相互作用的仿真分析模型,探讨冰板厚度对结构反力的影响。研究结果表明,采用用户自定义程序UMAT使得模拟更为复杂的冰力学特性成为可能,可为以后开展大规模的冰—结构相互作用研究奠定基础。
加筋板弹塑性断裂的J 积分计算
王红, 杨平, 邓军林, 董琴
2015, 10(1): 46-50. doi: 10.3969/j.issn.1673-3185.2015.01.007
摘要:
以EPRI断裂分析方法为基础,对符合Ramberg-Osgood应力应变关系的材料,结合筋板相互影响系数,提出一个考虑材料应变硬化性能的船体加筋板弹塑性断裂的J积分计算公式,采用有限元软件ANSYS进行数值模拟,并比较理论计算结果与有限元模拟结果。结果表明:理论计算结果比较接近有限元模拟结果,表明该理论模型能较好地反映加筋板的断裂规律与加筋条的止裂性能,可直接用于加筋板在疲劳载荷作用下的理论分析,对于船体结构弹塑性断裂分析具有重要的参考价值。
残余应力对水下耐压结构典型焊接接头疲劳强度的影响
张沛心, 李良碧
2015, 10(1): 51-57,67. doi: 10.3969/j.issn.1673-3185.2015.01.008
摘要:
水下耐压结构典型焊接接头模型常采用高强度钢建造,对焊接残余应力较为敏感,因此有必要针对残余应力对其疲劳强度的影响进行相关研究。采用ANSYS的APDL语言编程,通过数值模拟分析得到典型焊接接头的焊接残余应力;并基于局部应力—应变法,对水下耐压结构典型焊接接头考虑与不考虑残余应力这2种情况下结构的疲劳寿命进行数值分析。研究发现:典型焊接接头在凹锥面焊缝附近其残余应力最大,寿命最短;其寿命周期为104,属低周疲劳范围;随着外载荷的增加,疲劳寿命最小值也随之减小;残余应力的存在会明显降低典型焊接接头的疲劳寿命。
三维PIV应用于船舶精细流场测试研究进展
李茂华, 龚杰
2015, 10(1): 58-67. doi: 10.3969/j.issn.1673-3185.2015.01.009
摘要:

精细流场作用现象和流动细节对解决船舶与海洋工程领域的疑难问题有重要影响,粒子图像测速(PIV)技术实现了在同一瞬态时刻记录大量空间点上的速度分布信息,可提供丰富的流场空间信息及流动特性。三维粒子图像测速(SPIV)技术在国外已被成功用于研究水面舰船和潜艇在高海况下与船体大幅运动有关的复杂粘性现象及壳体大规模流体分离现象,取得了一定的研究成果;在国内,SPIV技术也已应用于船舶尾流场测量及舰船噪声测量中,试验结果能够真实反映流场特征。未来SPIV试验将与CFD方法相结合,向实船试验研究方向发展。随着计算机技术、激光技术、CCD性能的发展,多方位测量的SPIV系统将是未来重要的研究方向。

直接边界元法解势流速度场问题
李井煜, 卢晓平, 赵鹏伟
2015, 10(1): 68-75. doi: 10.3969/j.issn.1673-3185.2015.01.010
摘要:
在船舶水动力学中,大多采用以Hess-Smith方法为基础的间接边界元法求解势流绕流问题,但Hess-Smith方法本质上是基于物理直观提出,在理论和数值计算上都存在着缺点。直接边界元法虽然在船舶水动力领域有着非常广阔的应用前景,但至今应用较少。为推广直接边界元法在船舶水动力学中的应用,根据边界积分法建立积分方程,采用直接边界元法对无界势流绕流问题予以求解,得出流场速度势和物面上的速度分布,并通过与解析解的比较进行误差分析。对二维、三维问题的算例进行数值计算。数值计算过程用Matlab编程实现。结果表明:直接边界元法在求解船舶势流绕流问题中具有足够的精度和较高的效率,且数值计算实现过程更简洁,可发展成为求解船舶兴波等船舶水动力学问题的通用方法。
波浪中船舶操纵性数值预报及自航模验证
朱冬健, 马宁, 顾解忡, 邓德衡
2015, 10(1): 76-82,96. doi: 10.3969/j.issn.1673-3185.2015.01.011
摘要:

基于统一理论,考虑横荡、纵荡、艏摇平面三自由度操纵和横摇耦合,建立四自由度模型,按照MMG模型将船体上的力分为船体力、螺旋桨力和舵力,采用耦合模型叠加波浪力的方式来预报船舶在波浪中的操纵性。波浪力采用三维面元法计算,并根据船舶实时速度和遭遇浪向进行二维插值。通过对比仿真数据与自航模试验数据,验证了模型的准确性。预报了在不同波浪工况下的船舶操纵性,验证了二阶力是船舶回转漂移的主要原因。比较了不同波高对船舶在波浪中操纵性的差异,研究结果表明:波高越大,船舶回转的纵向和横向漂移越明显,并且Z形试验中的第1超越角和达到时间越长。

螺旋桨轴承力计算方法的对比分析
朱鹏, 毕毅, 叶金铭
2015, 10(1): 83-87. doi: 10.3969/j.issn.1673-3185.2015.01.012
摘要:
为了对螺旋桨的轴承力进行研究,在标模SUBOFF尾部同一位置装上4种不同的螺旋桨,分别用CFD方法、拟定常方法以及升力线理论进行螺旋桨轴承力理论预报。根据计算结果,分析侧斜、叶数对螺旋桨轴承力的影响以及不同方向轴承力的相对大小,并对3种方法的优缺点进行总结。结果表明:CFD与升力线理论方法更适合工程需要,尤其是对侧斜较大的桨叶,其较拟定常方法有着比较好的预报效果;同时,升力线理论方法在计算效率方面优于CFD方法;并且螺旋桨轴承力随着叶数的增多、侧斜度的增大而减小;轴承力在y方向上力的分量均大于x方向。
FPSO液舱晃荡与船舶时域耦合运动数值模拟
操戈, 李旭, 张咏鸥, 王康
2015, 10(1): 88-96. doi: 10.3969/j.issn.1673-3185.2015.01.013
摘要:

液舱晃荡对船舶运动产生的影响经常被忽略或线性化处理, 而当液舱液量较低时,船舶运动与液舱晃荡耦合的非线性性是极为显著的。通过对加入液舱内液体粘性影响的时域方程进行求解,分析FPSO模型船舶与液舱晃荡耦合运动,并将求解结果与试验数据和频域方程求解结果进行对比。首先, 采用Hydrostar软件基于频域势流理论得到水动力系数以及波浪载荷。然后,通过脉冲响应函数法(IRF)在时域积分得到波浪辐射力。最后, 计算船舶与液舱晃荡耦合运动。一方面,通过CFD软件Fluent模拟液舱晃荡,获取晃荡所产生的力及力矩,并以外力形式加载于船体,得到船舶运动响应;另一方面,在船舶运动仿真计算结果的基础上求解液舱晃荡运动。结果显示: 这种计算船舶与液舱晃荡时域耦合运动的方法较频域计算方法更为精确,且得到的船舶幅值响应算子(RAO)也符合试验结果。

船艉开槽型安装船及其运动特性数值分析
刘旭平, 唐友刚, 张少洋
2015, 10(1): 97-102108. doi: 10.3969/j.issn.1673-3185.2015.01.014
摘要:
浮托法作为一种成本低、耗时少的大型组块安装方法,被广泛应用于海洋平台的安装中。为将浮托法应用于东海海域平台组块的安装,需开发能适应东海长周期涌浪的海洋环境的浮托安装船。提出一种船艉开槽型海洋工程安装船,并根据安装船安装上部模块时对运动响应极值的限制,设计系泊系统。考虑东海长周期涌浪和短周期风浪以及风、流的联合作用,采用三维势流理论和非线性时域耦合分析方法,计算安装船在系泊状态下的时域运动响应极值,并分析校核系泊系统的安全性。研究结果表明,长周期涌浪主要影响安装船在系泊状态下的波频运动,包括垂荡、横摇和纵摇,安装船运动响应极值满足导管架上部模块安装施工要求,系泊系统安全性也满足要求。
水下航行器固有频率模型的可靠性分析
刘克勤, 李天匀, 朱翔, 黄惜春
2015, 10(1): 103-108. doi: 10.3969/j.issn.1673-3185.2015.01.015
摘要:
使用有限元模型进行仿真分析已在我国船舶行业中得到了广泛的应用,但是对有限元模型可靠性的研究较少。针对水下航行器结构,将振动频率的试验结果是否处于有限元模型计算的预报区间内作为标准,判断有限元模型的可靠性。基于设计参数型的有限元模型修正和确认方法,以水下航行器结构振动频率为响应特征,建立有限元的响应面模型,使用蒙特卡罗模拟和核密度估计预报水下航行器前四阶模态频率的区间估计和概率密度函数,通过比较试验结果和区间估计判断水下航行器有限元模型的可靠性。
基于改进FBS理论的浮筏隔振系统计算方法
游彩霞, 张光德, 何雪松, 胡溧
2015, 10(1): 109-113. doi: 10.3969/j.issn.1673-3185.2015.01.016
摘要:
高精度的隔振系统计算方法是开展隔振系统特性分析和设计的基础。将汽车领域中的FBS理论方法引入到舰船浮筏隔振系统的动态特性估算中,并针对现有FBS方法仅考虑隔振器的刚度和阻尼特性,而没有计入隔振器质量影响的不足,利用隔振系统力平衡以及速度连续性条件,在原有FBS理论的基础上,推导基于隔振器阻抗矩阵的浮筏隔振系统动态特性计算公式,从理论上消除隔振器特性等效所带来的误差。模型试验表明,相对于现有的FBS方法,改进后的计算方法在中高频段具有更高的精度,满足工程应用的需求。
新型封闭式桅杆空调系统数值仿真及实验验证
陈红超, 宋靠华, 李栋, 王吉
2015, 10(1): 114-120. doi: 10.3969/j.issn.1673-3185.2015.01.017
摘要:

针对新型桅杆密闭空间内的高热流密度难题,开展了环境控制系统方案设计,建立了桅杆内空调通风系统的物理模型和数学模型,并通过实测验证了仿真模型的正确性。利用仿真模型对比分析了循环通风方式和风机盘管通风方式在桅杆内的热分布。分析结果表明:采用风机盘管通风方式比采用循环通风方式在整个桅杆密闭空间内的温度高12.7%,整体温度高3.5 ℃,且整体温度分布更加不均匀,2种通风方式各层平均温度的均方差分别为25.2,1.65。

摇摆运动对过冷沸腾传热特性影响的机理分析
郑福明, 王畅
2015, 10(1): 121-125. doi: 10.3969/j.issn.1673-3185.2015.01.018
摘要:

通过建立静止及摇摆状态下窄矩形通道内的强迫循环过冷沸腾汽泡动力学效应数学模型,分析摇摆状态下过冷沸腾中的滑移汽泡受力行为,讨论摇摆状态下附加惯性力场对汽泡行为影响的规律。基于分相流模型,分析不同摇摆运动参数对过冷沸腾液相流动传热特性及汽泡运动的影响程度,并对理论研究结论进行试验验证。研究结果表明:当摇摆运动不足以导致强迫循环质量流量发生明显变化时,由摇摆运动引入的附加惯性力及由流道空间位置改变引起的浮力变化均不足以改变汽泡运动的规律,因此,摇摆运动对过冷沸腾传热特性的影响可以忽略,获得的结论可为船用换热器性能评价提供参考。

消磁绕组磁场与钢板磁化的关系分析
吴子瑕
2015, 10(1): 126-130. doi: 10.3969/j.issn.1673-3185.2015.01.019
摘要:

基于毕奥—沙伐定律和铁磁理论,结合舰载消磁绕组敷设状态,分析通电消磁绕组产生的磁场特性,研究消磁绕组的通电电流及其与钢板的距离对钢板磁场的影响。结果表明,通电绕组产生的磁场随距离的减小而递增,随电流的变大而直线增大,且存在两个临界值:电流Ic和距离Dc,一旦绕组电流或与钢板的距离超过临界值,其产生的磁场将超过钢板矫顽力,导致船体钢板固定磁化。另外,结合工程实践情况,对消磁绕组磁场的不同简化方法进行对比,发现各误差均不大于0.2%,即可以将绕组等效成无限长的直通电导线,以快速计算判断其磁场大小。