船舶航行在恶劣海况中易发生甲板上浪、砰击等强非线性现象,对船体结构造成剧烈冲击,甚至导致结构的严重破坏,对船舶航行的稳定性和安全性造成影响。因此,波浪中船舶运动响应研究和甲板上浪、砰击等现象造成的冲击载荷预报对船型优化和结构设计等具有重要意义。目前船舶领域关于大幅运动、甲板上浪和砰击等问题的研究广泛采用势流理论,且船舶行业在工程应用中普遍采用的是基于微幅波浪和船舶微幅运动假设的线性水动力理论。但流体粘性在诸多情况下不可忽略,基于势流理论的研究结果在关于船舶大幅运动等问题的研究中存在较大误差;入水砰击问题的研究多以楔形体模型为主;此外,关于船舶颤振问题的研究较少。根据上述成果和不足,开展了如下研究工作:1.甲板上浪问题:采用软件FINE/Marine基于粘性流理论建立了三维多相流数值模型,采用BRICS可压缩型离散格式精确捕捉自由液面,减小自由液面附近构成函数的数值扩散。首先,基于该数值模型计算了Wigley船的辐射问题,结果与试验数据相符较好,验证了数值模型的可靠性与精确性。然后,针对甲板上浪的重要影响因素(波长、波幅),模拟了不同波浪条件下Wigley船的甲板上浪情况,并对甲板及上层建筑的冲击载荷进行了分析。2.入水砰击问题:根据S-175集装箱船的横剖线图,选用软件LS-DYNA分别建立了球鼻艏、平行中体和船艉的实尺度剖面模型。基于显式有限元方法,采用任意拉格朗日-欧拉算法(ALE),有效跟踪物质结构边界的运动,同时避免出现畸变严重的网格。首先,模拟了楔形体的入水砰击,其预报的压力和冲击载荷等结果与试验数据吻合较好,验证了数值模型的可靠性和精确性。然后,根据已有研究中实际船舶不同剖面处的下沉速度,分别对三种典型剖面进行了入水砰击模拟。3.颤振响应问题:以长方体为研究对象,尝试采用软件LS-DYNA进行模拟,研究刚体和弹性体在运动过程中的受力情况,基于显式分析方法尝试模拟了船体在迎浪航行过程中的流固耦合问题。研究结果表明:相对波长1.2的海况更易发生上浪现象,甲板与上层建筑的交界处附近会产生两次冲击;剖面形状对下沉速度和砰击载荷具有较大影响,且速度不能直接反映压力情况。研究结果对甲板上浪冲击载荷和砰击载荷的预报以及船型优化具有一定的参考价值。