【摘 要】
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船舶在河流等流体环境中行进时,与桥梁墩柱、沿岸箱涵等结构物发生碰撞是常见的工程实际问题,也是典型的流固耦合问题。船舶与结构物发生碰撞的过程中,接触的瞬时作用力会使得船舶产生运动响应,同时对周围流场造成影响。同时,受到船舶碰撞影响而改变的流场,又会影响船舶的运动和变形,二者的相互作用形成了船舶-结构物与周围流场的耦合作用。国内外学者对于船桥碰撞问题做了很多研究工作,但受限于计算条件,大部分研究人员将
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船舶在河流等流体环境中行进时,与桥梁墩柱、沿岸箱涵等结构物发生碰撞是常见的工程实际问题,也是典型的流固耦合问题。船舶与结构物发生碰撞的过程中,接触的瞬时作用力会使得船舶产生运动响应,同时对周围流场造成影响。同时,受到船舶碰撞影响而改变的流场,又会影响船舶的运动和变形,二者的相互作用形成了船舶-结构物与周围流场的耦合作用。国内外学者对于船桥碰撞问题做了很多研究工作,但受限于计算条件,大部分研究人员将碰撞过程中的流体、船舶-结构物间的相互作用通过船舶附加质量的形式进行考虑,而对于碰撞过程中流体对船舶-结构物的影响却经常被忽视,这导致了在仿真计算中一定程度上降低了船舶碰撞问题计算的精确度。本文根据现有的船桥碰撞问题的相关资料,以KVLCC2船型作为研究对象,建立了基于附加质量法的船-箱涵碰撞模型,并通过水动力仿真软件STAR-CCM+与结构仿真软件Abaqus的联合仿真,建立了基于流固耦合法的碰撞模型。文中从不同碰撞速度、不同碰撞角度对碰撞过程中碰撞力变化及船舶结构响应等方面进行了研究。本文的主要研究内容如下:（1）对比2010年哥德堡研讨会上提供的KCS敞水试验结果,利用STAR-CCM+对KCS船舶进行阻力预测,验证STAR-CCM+在水动力仿真计算中的可靠性。基于重庆市主城排水工程临江架空箱涵的防撞风险评估,利用Abaqus建立船桥碰撞模型,探究船舶的动态响应过程及损伤变形,对Abaqus在结构仿真计算中的可靠性进行验证。（2）流固耦合模型能同时关注流体与固体特性,能更准确的对固体在流体作用下的应力变化进行分析,也能体现出固体变形对流体速度、压力的影响,与现实物理现象更加接近,有利于提高数值计算的准确性。通过建立高流速下平板运动模型以验证联合仿真在流固耦合问题中的可行性,并与实验数据进行对比以确定其计算结果的可靠性。（3）以3000T的KVLCC2船型为研究对象,建立船-箱涵碰撞的附加质量模型与流固耦合模型进行数值仿真研究,详细对比不同碰撞速度和碰撞角度下两种模型的船舶碰撞力时程曲线,探究附加系数与碰撞力峰值的定量关系,对两类模型的碰撞力、损伤变形及方法适用性等方面进行了分析研究。（4）在Abaqus中建立箱涵、盖梁模型,计算箱涵在被完全淹没后的修正重力加速度,通过对箱涵施加集中力的方式,得出箱涵翻落的最大抗力。根据AASHTO船舶撞击风险评估方法,以及航道预测年船舶通行量,计算出各工况下箱涵的受撞风险概率,并对不同工况及航道因素等条件下的箱涵进行风险概率评级,以此提出相应的防撞策略。
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