码头前系泊的船舶在波浪等外在环境因素作用下产生摇荡运动,船舶运动中对码头设施的碰撞将影响结构强度和码头的稳定性,因此对码头前系泊船舶运动响应的研究是很必要的。由于问题的复杂性,目前关于此问题的物理模型研究比较多,但数值模拟并不多见。本文应用高阶边界元的数值方法,基于三维线性势流理论在时域内分别实现了对透空式码头和直壁式码头前系泊船舶运动响应的数值模拟。研究中得出的一些结论无论在理论上还是在实际工程中都有一定的参考和应用价值。 本文应用Cummins提出的由频域向时域转化的理论方法在时域内对系泊船进行了数值模拟。具体方法是利用频域下的附加质量、辐射阻尼和波浪力,通过傅立叶变换求得时域下的波浪作用力、附加质量和迟滞函数,然后求解结构的时域运动方程得到结构物的运动响应和系泊系统的内部应力。 首先,本文应用高阶边界元数值程序在频域内计算了开敞水域中截断圆柱的数值解,并与解析结果进行对比以验证本文所应用的计算透空式码头前系泊船舶水动力响应(近似开敞水域情况)数值方法的正确性。应用基于镜像法理论的考虑直墙反射的数值程序计算了直墙前直立圆柱的水动力系数及一阶波浪力,并与解析解进行对比以验证本文所应用的直壁式码头数值计算方法的正确性。 然后,本文具体阐述了码头前系泊船舶运动响应的时域模拟方法,包括应用B样条函数方法拟合船体表面网格和对缆绳、护舷性能曲线的数值模拟,利用四阶Runge-Kutta方法求解船舶时域运动方程。 其次,研究中发现对于码头前系泊船舶的运动响应问题,计算时只考虑势流理论计算的线性辐射阻尼是不够的,实际情况中船舶还受到了非线性的粘性阻尼作用。本文计算系泊船舶运动响应时,也考虑了船舶受到的非线性粘性阻尼,并对其做了一定的研究分析。 最后,用本文数值模拟方法计算了码头前系泊船舶在波浪作用下运动响应的实际工程算例,并与物理模型实验结果进行对比,总体上符合很好,证明了本文所应用的模拟方法的正确性。