基于MPS-FEM耦合方法研究孤立波对弹性结构物的砰击

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随着人类对海洋资源的持续开发,远岸与近岸工程结构物的安全问题成为工程人员重点关注的对象。其中,波浪对结构物的砰击问题是船舶与海洋工程领域的研究热点。波浪砰击现象常发生于船舶的艏部、艉部,海洋平台的底部甲板、超大型浮式结构以及近岸的栈桥等。波浪砰击发生时常常伴随有巨大的砰击载荷,可能造成结构物的变形和破坏,从而严重影响结构物的安全性。因此波浪砰击载荷已经成为大型海洋工程结构物设计时考虑的重要因素。此外,在船舶与海洋工程领域结构物的跨度较大,其整体刚度往往较小,使得结构的变形在砰击问题中有着不可忽略的影响,因此开展弹性结构物的波浪砰击问题具有重要的工程意义。本文使用自主开发的无网格法流固耦合求解器MPSFEM-SJTU,数值模拟了孤立波对弹性结构物的砰击作用,通过定性、定量地比较弹性、刚性板所受波浪砰击载荷的不同,研究了结构物弹性对波浪砰击载荷的影响,并分析了波高、干舷和净空等参数对砰击载荷的影响。本论文的研究内容具体如下:首先,基于MPSFEM-SJTU求解器建立二维、三维数值波浪水池,并制造出不同幅值的孤立波,通过将数值水池中的孤立波波形与理论值进行比较,验证该求解器的数值造波效果,并为后续的孤立波与结构物之间的流固耦合数值模拟研究打下了基础。然后,在数值水池中模拟了二维孤立波对结构物的上浪砰击作用,在对刚性结构物的砰击作用过程进行数值模拟时,研究了干舷这一重要参数对砰击载荷的影响,并分析了结构物最容易受到砰击载荷影响的“危险区域”。紧接着模拟了弹性结构物遭受上浪砰击的过程,比较了弹性、刚性结构物受到的砰击载荷,并从自由面演化、砰击压力和流体速度场等方面分析了结构物弹性对砰击载荷的影响。本文最后模拟了结构物的底部砰击问题。在二维孤立波对刚性水平板的底部砰击作用研究中,分析了底部砰击载荷的演化过程,并系统地研究了孤立波波高、平板净空对砰击载荷的影响。通过将获得的平板上托力峰值与试验结果进行对比,验证了该求解器对底部砰击载荷问题计算的准确性。在二维孤立波对弹性水平板的底部砰击作用研究中,从弹性、刚性板受到的底部砰击载荷峰值、载荷分布等方面,比较分析了结构物弹性对底部砰击的影响。最后再将弹性水平板的底部砰击问题扩展到三维,同样对波高和平板净空进行了参数研究,从甲板上浪,上托力峰值,砰击压力分布和流体速度场四个方面研究结构物弹性对砰击的影响,并分析了底部砰击现象中的三维效应。
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