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南京航空航天大学 毕业设计（论文）开题报告 题 目 三维物体着水动态响应分析 学 院 航空宇航学院 专 业 飞行器设计与工程 学生姓名 朱卉馨 学号 010610304 指导教师 金海波 职称 副教授 毕设地点 南京航空航天大学 2010年 4月21日结合毕业设计（论文）课题任务情况，根据所查阅的文献资料，撰写1500～2000字左右的文献综述： 三维物体着水，会激起周围流体介质的运动；反过来，流体介质对结构又施加各种反作用力，特别是在入水冲击瞬态间（毫秒级）过程中会遭受巨大的冲击载荷，这就涉及到结构入水冲击动力学问题，入水问题的研究对入水结构强度设计起着重要的作用：在三维物体着水过程即从空气介质侵入到流体介质的过程中，会受到很大的流体砰击载荷作用，可能导致局部失效。 入水冲击无论是在理论研究试验研究还是数值计算方法研究方面都具有一定难度,国内外在基于Von Karman和 Wagner理论方法和数值分析方面已做了大量的研究工作。对于水陆两用飞机而言，所设计结构也必须能承受冲击载荷的作用，然而撞水过程中，不仅结构会产生变形，而且自由液面还会产生大幅度波动，另外流固接触面又不能事先确定，因此难度较大，关于撞水响应的研究还有不少问题有待进一步深入。 对于入水冲击问题的研究，最早是1929年Von Karman采用附加质量代替流体作用来分析入水冲击问题，提出附加质量法计算入水冲击载荷，将水上飞机降落过程中的浮舟理想化为二维楔形体入水过程，采用动量守恒定律推导了入水冲击载荷的计算公式。为了采用动量守恒定律，Von Karman 假设入水初期流体结构系统能量守恒，提出附加质量的概念，认为侵水过程中，入水体减速丧失的动量转化成所形成的流场的动量的增加量。1932 年，Wagner将Von Karman 的方法理论化，又考虑到冲击时水面的抬升现象，提出了小斜升角模型的近似平板理论，成为现今理论研究的基础。并且引入了水波影响因子，运用伯努利方程导出了冲击压力在结构沾湿面上的分布状况，使理论分析更符合实际问题。在此间，Wagner提出的平板理论在求解入水过程中结构受力状况和流体动能得到广泛应用，同时他提出自相似解法，为以后其他相似解奠定了基础。Mayo在 Wagner 理论基础上，考虑了波浪对附加质量的影响、沾湿面上的压力分布以及引起最大冲击载荷的影响，针对1929～1938 年出现的大量理论分析水上飞机着陆问题，根据实际情况对理论结果作了相应的修正。而Milwitzhy考虑到水上飞机到冲击滑行过程中的俯仰力矩、滑行角与 V 型浮舟的斜升角等因素，采用无量纲分析方法简化了数学模型。在 50 年代，针对入水问题的研究国外出现了第一个高潮，这个时候的特征是开始考虑到流体的压缩效应。假设入水结构物中声速为无限大，流体是理想可压缩势流，按照平板入水冲击问题来对待，在出现空泡以生最大冲击载荷。Eroshin 等对压缩效应进行了大量的实验和理论研究，得出采用不可压缩流体计算的比实际大的原因，这是由于实际入水冲击引起了流体可压缩效应所致。 近期入水冲击问题的研究是随着数值分析方法不断完善，使利用有限元对流体域和固体域单独建立数值模型成为可能，将流体模型和结构模型耦合为一个水弹性模型，可以解决复杂三维几何结构入水问题，也可以处理流体可压缩性、非线性自由液面边界条件以及结构变形等问题。 在国内，张效慈将入水问题分为撞水和砰击两种现象，它们既有共性也有异性。结构和流体之间的相互作用是入水问题的共性；而它们的异性则是，撞水是单次性的现象，入水速度高达几十米每秒甚至百米每秒，而砰击是结构和流体周期性的作用现象，即便高速双体船的入水速度也不是很高。但不管是撞水现象还是砰击现象，在分析中都要对非线性自由液面、冲击引起的液面隆起和飞溅进行简化处理，并且研究对象大多是简单的二元模型，在分析入水冲击问题中一般基于势流理论，流体运动的速度势满足Laplace 方程： 陈学农等利用时间步进法和边界元方法，分析平头物体在垂直和斜入水情况下的入水动力学过程，将隐式时间差分法运用到数值计算上。顾懋祥等严格采用满足流体力学和弹性力学的数值计算方法，在时间域中用步进法，壳体固体域采用锥壳单元有限元方法，用差分方法求解流体域控制方程，得出入水冲击力和流场变化。李森虎等采用质点网格法针对二维平头结构物入水撞水进行模拟，并考虑到气垫效应以及入水空泡现象。郑际嘉等进行了刚性圆板自由落体入水的数值分析。钱勤等提出了一种混合数值方法求解撞水问题，任意的拉格朗日欧拉边界元的有限元混合方法，充分证明边界元方法在进行入水问题的数值分析中的优越性。王冰等利用边界元方法耦合非线性自由液面步进法求解入水问题，给出圆柱的撞水现象和楔形刚性体砰击现象的算例。进行了刚性圆板自由落