海洋浮式结构流固耦合动力建模分析.pdfVIP

第 16 卷第 1 期 ( ) Vol16 No 1 华 　东 　船 　舶 　工 　业 　学 　院　学 　报 自然科学版 　 2002 年 02 月 ( ) 　 Feb . 2002 Journal of East China Shipbuilding Institute Natural Sciences Edition 　　　　　　 ( ) 文章编号 : 1006 - 1088 2002 0 1 - 0 1 - 06 海洋浮式结构流固耦合动力建模分析 1 2 1 1 朱克强 , 李道根 , 姚震球 , 王 　林 ( 1 华东船舶工业学院 船舶与土木工程系 江苏 镇江 2 12003 ; 2 华东船舶工业学院 电子信息系 江苏 镇江 2 12003) 摘 　要 : 讨论了海洋大体积结构的流固耦合分析数学模型 ,建立了不可压缩理想流体中流固耦合系统 结构运动微分方程 ,给出了用干模态分析方法计算流体附加质量矩阵、流体阻尼阵和流体附加刚度矩阵 以及广义力的计算公式 。 关键词 : 结构动力分析 ; 流固耦合 ; 水弹性 ; 船体 中图分类号 : U 6631 ; U 66 1. 1 　　　　　　　　文献标识码 : A 1 　概 　述 为了可靠地预报船舶或各种海洋结构的动力响应 ,首先必须准确地确定作用在结构上的流体载荷 。 对大体积海洋细长结构如船舶或管线 ,经常采用二维“切片”理论[ 1 ] ,在这个理论中假设横截面不变形 , 有时甚至连梁的变形也不计 ,而采用刚体假设 。对于较低阶的“似梁”模态 ,剖面变形的确可以忽略 。然 而对于更高频率 ,各个剖面可能会产生明显变形 。例如对于大型载货船或超级油轮 ,船底板的局部变形 会明显影响整条船的振动特性 ,这不仅仅是由于结构耦合所至 ,而且是由于运动诱导的流体动力的变化 所至 。长期以来人们早就意识到水弹性耦合的重要意义 ,近 20 年来很多研究人员进行了大量的深入细 致和实用的研究[ 1～12 ] 。要建立一个能包罗各种流固耦合系统的通用数学模型显然是很困难的 ,实际上 往往也没有这个必要 。通常可根据不同类型的流固耦合问题或具体情况 ,作一些假设以简化数学模型 , 提高计算效率 。一般可把结构分成细小结构和大体积结构 。细小结构通常与流体有较大的相对运动 , 需要考虑流体的粘性 、分离和旋转等因素 ,但可以不计流体的可压缩性以及反射 、绕射等对流场的影响 , 这类构件的波浪动力载荷问题 ,到目前为止还没有比较严格的理论解 ,对波浪这一非定常流同时考虑粘 性作用是一个很困难的问题 。应用较多的是著名的“Morison ”公式 ,实际应用中一个关键问题是如何针 对具体问题确定公式中曳力系数与质量系数 , 由于假设构件直径远小于波长 ,此时沿柱体剖面范围内波 浪引起的流动可以看作是均匀的。当波长相对柱体直径不很大时 ,波浪的反射作用将复杂化 ,此时不能 假定柱体直径范围内的绕流是均匀的 ,并且由于反射引起的阻尼力的线性部分也不可忽略 ,因此一般认 为 Morison 公式适用范围是波长大于 5～10 倍构件的直径 。 对大体积结构的波浪载荷计算, 不能忽略由于结构物存在而产生的波浪绕射作用 。但是由于入射波 水质点运动幅度与剖面尺寸相比较小, 边界层分离现象并不明显, 而边界层外的流体可以认为是无粘性 的。因此对大构件可以应用理想流体的计算方法, 而且一般要讨论三维流动问题, 大多数情况下难以获 得解析解, 只有极个别很规则的形状才能用特殊函数求得解析解, 通常只能用数值方法 。在很多场合虽 然可用有限元法求解, 但在数学模型中出现无限域和奇点时会碰到一定的困难, 或者计算效率不高 。“边 界元”法是一种很好的处理无穷域和奇点的方法, 这种方法可利用已有的数学解析解或选取一组在域 内满足微分方程式和给定边界条件的形函数 N i , 将未知函数 u 表示成此组形函