船舶声弹性力学理论及其应用

船舶结构与水介质耦合动力学在改善船舶运动性能与结构安全性,控制船舶振动噪声与提高水下声隐身性能,进行船舶综合性能的优化设计等一系列工程问题中有广泛的应用需求与发展前景.本文综述了船舶水弹性力学、声弹性力学的理论方法、试验技术与应用技术的国内外研究进展;介绍了在带航速三维水弹性力学理论(Wu 1984)基础上,作者所在课题组近年来发展的船舶三维声弹性理论、计算技术及工程应用的概况.简述了船舶三维声弹性理论的部分应用情况及发展方向.     

Advances in sono-elasticity of ships and the related applications

船舶结构与水介质耦合动力学在改善船舶运动性能与结构安全性,控制船舶振动噪声与提高水下声隐身性能,进行船舶综合性能的优化设计等一系列工程问题中有广泛的应用需求与发展前景.本文综述了船舶水弹性力学、声弹性力学的理论方法、试验技术与应用技术的国内外研究进展;介绍了在带航速三维水弹性力学理论(Wu 1984)基础上,作者所在课题组近年来发展的船舶三维声弹性理论、计算技术及工程应用的概况.简述了船舶三维声弹性理论的部分应用情况及发展方向.     

声弹性应力测量

本文简要评述了声弹性应力测量方法的理论、实验技术和应用等方面的发展概况。平面声弹性技术已取得进展。声弹性用于三维应力和残余应力测量仍有不少困难。     

帕普科维奇对力学的贡献

帕普科维奇是苏联著名的力学家, 他在船舶结构力学的杆系理论、板的弯曲、板架分析、弹性体系的稳定性以及结构振动和动力学等各个方面都有重要成就, 特别是他推出了弹性力学基本方程的通解, 这对弹性力学是一个突破性的贡献. 他的《船舶结构力学》和《弹性力学》等著作是力学领域的名著. 本文对他在力学的各个方面主要的创新性成果作了全面的系统的介绍.     

非线性流体弹性力学研究进展

流体弹性力学理论是用来描述液体、气体的运动与弹性结构相互作用的学科.由于其交叉性质, 涉及到人类日常生活中的方方面面,致使在许多学科和工程领域中都成了主要的研究内容,并得到了广泛地应用.本文在阐述研究流体与弹性体相互作用的非线性问题的重要意义及分类方法的基础上,介绍了非线性流体弹性力学的特征、研究现状和非线性问题的研究方法,如理论分析法、实验分析法、数值分析法和半解析法等的进展;介绍了描述介质相互作用的任意拉格朗日-欧拉(ALE)法、相容拉格朗日-欧拉(ULE)法、单一拉格朗日(SL)法和单一欧拉(SE)法之间的关系,并且对这些研究方法的优缺点进行了比较;介绍了非线性流体弹性力学研究的内容和在气动弹性力学、水弹性力学、环境流体弹性力学、微尺度流体弹性力学和涡激振动等领域中的应用;阐述了非线性流体弹性力学的发展前景和所面临的任务.      

力学的永恒魅力与贡献——————与时俱进的船舶力学

船舶力学是一个与船舶工程紧密结合的力学领域.作为力学的一门分支学科,于20世纪上半叶形成了自身较为系统的专业格局,并且在20世纪下半叶取得了突飞猛进的发展.结合当代船舶与船舶技术演进的概况,尤其是近年来超越传统的快速发展,简述了船舶力学所面临的需求及所做出的贡献.本文并对船舶力学主要研究领域的现状、发展方向与热点问题,择要作了概括的、远非全面的介绍,对其发展总趋势作了初步的分析.毫无疑问,船舶类型的每一步更新与发展,都包含着在船舶力学的领域中认识与把握船舶所遭受的随机、复杂、险恶的环境载荷,改进航行性能,保证船体安全可靠等方面的科学与技术的进步.凡是船舶力学研究最活跃的地方,往往就是需求最明确,船舶新技术出现最快的地方.可以说,现代船舶发展的历史,也就是船舶力学发展的历史,船舶力学是船舶技术创新的一个重要源泉,而船舶的工程需求又是船舶力学发展的基石,两者紧密结合,与时俱进.在人类的历史进入21世纪的时候,船舶设计制造技术频频更新,改变着船舶与海上运输的面貌,同时船舶力学发展的历史也将翻到崭新的一页.      

固体声弹性理论、实验技术及应用研究进展

固体的声弹性对于固体的应力状态超声无损测量具有极其重要的作用.康奈尔大学的鲍亦兴教授曾经总结了1984年以前的固体声弹性理论、实验技术及工程应用方面的研究成果.系统总结了最近20多年来固体声弹性的基本理论、实验技术及其在材料科学、岩土工程等领域应力状态超声无损检测应用方面的研究进展.      

波桑比对弹性应力的参与量和误差影响

本文从三维弹性理论出发,引用了欧氏空间各向单轴应变的计算式;同时从三维实验力学在原型结构工程的应用考虑,讨论了波桑比在实验中相似常数 c_u≠1所造成的影响,推导了波桑比对应变参与量的公式。从而当已知 n,m 参数及某一应力分量或全部应力分量时,可计算出三维结构波桑比之非正常参与量和原型结构的真实参与量,二者单轴应变的差值即为波桑比误差影响值。     

编织复合材料弹性性能的细观力学模型

提出了编织复合材料弹性性能分析的细观力学模型，这个力学模型考虑了实际编织结构中的纬向和经向纤维束的曲屈，相邻纤维束之间的间隙和纤维束的横截面尺寸对编织复合材料弹性性能的影响，并探讨了在纤维束间纯树脂区内孔隙的含量和两种叠层结构对材料弹性性能的影响．理论计算结果与实测值的比较，表明所提出的细观力学模型是合理的．根据理论分析的结果，提出了优化单层和叠层编织结构的结构参数选择方法     

超弹性材料的不稳定性问题

超弹性材料是一类性能独特、不可替代且有广泛工程应用的高分子材料,对其独特的材料不稳定性问题的研究极大地推动了连续介质力学有限变形理论和超弹性理论的发展.综述了超弹性材料中的材料不稳定性问题的研究成果和最新进展,包括Rivlin立方块问题、薄壁球壳和薄壁圆筒的内压膨胀问题、圆柱的扭转问题、块体的表面不稳定性问题、空穴的生成、增长和闭合问题等.阐述了这类材料中各类非线性不稳定性问题的特点、问题的求解、主要结果及今后进一步的研究方向等.      

具非对称截面单体的双体船的对称波激响应

本文研究了具非对称截面单体的双体船的对称波激响应,包括船体的刚体运动,即升沉和纵摇(沿纵向铅垂面的垂向平移及绕重心的转动),以及振动。一方面由于船体截面的主惯性轴与船体的升沉运动不重合,即振动平面与刚体运动平面不重合。另一方面由于两个单体是通过两个定点相互约束的(即每个单体不但受分布的外荷而且受到集中的外荷),从而使得按照Bishop的水弹性理论研究此波激响应问题变得不可行了。本文推导出此类问题的运动微分方程,提出了解决此类问题水动力的计算方法,把Bishop的理论向前推进了一大步。并对一条对开式泥船进行了计算。     

考虑水弹性影响的水下航行体结构动响应研究

考虑水弹性的影响,计及惯性力、水动力和弹性力之间的相互耦合作用,将水动力学方程和结构动力学方程联合求解,采用三维势流理论和边界元法推导并计算了水下航行体结构的附加质量矩阵,对带空泡水下航行体出水过程中的结构动响应问题进行了分析.      

冰区航行中船舶结构冰载荷的现场测量与反演方法研究进展

冰载荷是影响极地船舶航行安全的重要环境因素,而对船舶结构的现场监测是获取冰载荷的可靠途径.鉴于船-冰相互作用的复杂性, 目前还难以直接测量冰载荷,一般通过结构应变、六自由度运动参数等船舶结构局部或总体响应的测量数据间接反演冰载荷.根据冰载荷的作用范围,本文将船舶结构冰载荷现场监测划分为局部冰载荷现场监测与总体冰载荷现场监测两大类.对国内外18艘极地船舶冰载荷现场测量试验的开展时间、试验海域、测量方案等信息进行了系统的总结和分析.从基本原理、适用范围、应用现状和发展前景等方面全面地介绍了船舶结构冰载荷反演的影响系数矩阵法、支持向量机法、格林函数法、运动参数法和功能关系法,并重点分析了"MV Timofey Guzhenko"极地穿梭油轮与"IBRV Araon"破冰考察船的冰载荷测量结果.在此基础上对船体局部冰压、冰力峰值、冰载荷概率分布和冰激振动加速度等相关研究进展进行了深入的讨论.最后从测量技术、反演方法、冰载荷特性等方面剖析了当前船舶结构冰载荷现场监测中存在的问题,并探讨了相应的研究方向.本文对国内外极地船舶冰载荷现场测量与反演方法的论述可为后续研究与工程应用提供科学参考,从而更好地促进我国极地船舶的抗冰结构设计与冰区航行技术的发展.      

船舶碰撞动力学过程的数值仿真研究

在分析显式非线性有限元基本理论和关键技术的基础上 ,探讨了船舶动力学过程的数值仿真方法 ,并对碰撞过程中船体的力学性能进行了分析 ,获得并讨论了碰撞力、能量吸收和损伤变形的时序结果 ,所得结论具有一般性。碰撞仿真分析中 ,被撞船的舷侧受撞区域和撞击船的首部区域作为可变形结构处理 ,而其余区域则视为刚体。被撞船周围的水划分成Euler有限体积网格 ,船体结构则划分成Lagrange有限元网格 ,并采用耦合技术将它们联系在一起。撞击船周围的水的影响采用附连水质量进行处理。     

关于舰船横摇中的若干非线性问题

对船舶横摇运动中的一些非线性问题的若干研究现状进行了总结,讨论了所存在的一些问题及其发展趋势。对横摇非线性问题的产生以及导致非线性的因素作了简述,从大幅非线性横摇运动、横摇-垂荡耦合运动、和横摇-纵摇耦合运动三方面,详细综述了国内外关于舰船在波浪中的力学研究的发展趋势,提出了几个有待深入加强研究的问题。     

晃荡

本文列举了诸多工程领域中的液体共振运动现象,详细探讨了船舱中伴有剧烈流动的晃荡问题.描述了基于理论分析的非线性多模态方法,该方法便于波动稳定性分区、多分支解和物理稳定性的研究.强调了方形舱、垂向圆柱舱以及球形舱内伴有旋转和混沌(不规则波动)的三维流动的重要性.晃荡引起的砰击涉及到各种各样的内流条件,这些条件随液体深度与舱体长度之比而变化.针对棱柱状LNG舱,讨论了许多与流体力学和热力学参数、影响砰击载荷效应的水弹性以及模型实验缩尺比的物理现象.     

Numerical study on wave loads and motions of two ships advancing in waves by using three-dimensional translating-pulsating source

A frequency domain analysis method based on the three-dimensional translating-pulsating (3DTP) source Green function is developed to investigate wave loads and free motions of two ships advancing on parallel course in waves. Two experiments are carried out respectively to measure the wave loads and the free motions for a pair of side-byside arranged ship models advancing with an identical speed in head regular waves. For comparison, each model is also tested alone. Predictions obtained by the present solution are found in favorable agreement with the model tests and are more accurate than the traditional method based on the three dimensional pulsating (3DP) source Green function. Numerical resonances and peak shift can be found in the 3DP predictions, which result from the wave energy trapped in the gap between two ships and the extremely inhomogeneous wave load distribution on each hull. However, they can be eliminated by 3DTP, in which the speed affects the free surface and most of the wave energy can be escaped from the gap. Both the experiment and the present prediction show that hydrodynamic interaction effects on wave loads and free motions are significant. The present solver may serve as a validated tool to predict wave loads and motions of two vessels under replenishment at sea, and may help to evaluate the hydrodynamic interaction effects on the ships safety in replenishment operation.