加筋板楔形体结构水弹性砰击动响应的流固耦合机理研究

合理预报局部结构的砰击载荷和动响应是船舶首部结构安全设计的重要基础，本项目针对船舶基本结构- - 加筋板开展以下研究：.1）结构水弹性砰击的耦合和非耦合数值模拟方法研究；.2）测量水弹性砰击压力的板状压力传感器研制；.3）加筋板楔形体结构的入水模型实验以及水弹性砰击的耦合作用研究。. 通过上述研究，发展完善预报加筋板结构水弹性砰击的基于显式有限元技术的耦合数值方法；掌握板状压力传感器的测量原理，用于测量砰击压力时域响应，反映结构变形对压力的耦合作用；在对比入水模型实验、耦合以及准静态非耦合数值模拟结果的基础上，揭示砰击压力和结构应变时域响应之间的流固耦合机理，从而有效预报加筋板结构水弹性砰击动响应，提高高性能船舶及大型舰船结构的设计水平以及航行安全性。

本项目开展的研究工作完成情况.（1）铝制三维楔形体结构水弹性砰击模型试验研究.采用落体入水模型实验方法，研究砰击过程的砰击压力与结构动响应规律。设计了一个铝制三维楔形体模型，底部斜升角为20度，底部两侧是包含三根纵骨和两根横梁的加筋板结构，两侧的外板厚度不同，两侧的纵骨和横梁的尺寸及厚度不同，可以对比分析结构刚度对结构砰击动响应的影响。设计了一套模型实验机构，可以实现模型自由释放、垂直落体入水砰击过程。研究了板状砰击压力传感器的测量原理，制作了板状砰击压力传感器。在天津大学港口与海洋工程教育部重点实验室，建设了砰击模型实验水池，针对不同落体高度，开展了系列入水砰击实验。测量了入水砰击过程的加速度、砰击压力和结构应力相应。.（2）楔形体结构水弹性砰击数值模拟研究.采用基于任意拉格朗日——欧拉（ALE）算法的显式有限元技术，采用LS-DYNA软件，预报了铝制加筋板楔形体结构模型无转角工况的入水砰击过程，得到的入水加速度、底部加筋板结构纵骨应力和横梁响应与模型实验结果吻合较好。研究表明该ALE算法具备模拟船舶局部结构的水弹性砰击流固耦合问题的能力。.采用计算流体力学FLUENT软件开展砰击过程的数值模拟工作，多相流用VOF模型，k-ε湍流模型，动网格技术，UDF编程输出测点的砰击压力，预报的入水加速度和砰击压力与实验结果吻合较好。..项目取得的研究成果:.通过开展铝制三维楔形体结构水弹性砰击模型试验及数值模拟研究工作，具备了开展船舶局部结构的水弹性砰击流固耦合研究的能力。.在该基金项目资助下，发表了EI检索论文4篇（含国际会议2篇），中文核心1篇；参加了两次国际会议并做了论文宣讲，提交申请发明专利两项，培养了硕士研究生三名。