论文标题：Investigation of Non-Linear Ship Hydroelasticity by CFD-FEM Coupling Method（CFD-FEM耦合法研究非线性船舶水弹性）

期刊：JMSE

作者：Zhe Sun, Guang-Jun Liu, Li Zou, Hao Zheng and Kamal Djidjeli

发表时间：9 May 2021

DOI：10.3390/jmse9050511

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7月11日是“中国航海日”，为纪念明朝航海家郑和下西洋十甲子600周年，中国国务院于2005年5月将每年7月11日定为中国航海日。2014年航海日首次发布中国航海日公告，呼吁社会各界对航海事业发展给予更多的关注和支持。

原文通讯作者简介

博士毕业于英国南安普顿大学，现为中国造船工程学会船舶力学学术委员会环境与响应学组副组长、辽宁省兴辽英才计划高水平创新创业团队骨干成员、大连理工大学船舶与海洋工程水动力创新团队骨干成员。围绕舰船砰击/破舱/水弹性效应、极地结构物冰载荷特性、深海采矿混输流动、跨介质推进器水动力性能等船舶与海洋工程领域的特有和极端水动力学问题，针对其界面变化复杂剧烈、流固耦合效应显著的特点，致力于粒子类无网格计算方法开发和流动机理阐释研究，在包括领域内众多顶级期刊"Ocean Engineering"、"Marine Structures"、"Cold Regions Science and Technology"在内的杂志上发表SCI检索论文20余篇。入职以来，先后主持国家重点研发计划子课题一项、国家自然科学基金青年基金项目一项、创新特区H863项目一项、装备预研船舶重工联合基金一项、中国博士后科学基金一项，并参与包括国家自然科学基金重点项目、工信部高技术船项目、国际合作项目CSSRC-20000TEU Joint Industry Project等10余项课题研究。荣获2020年“大连市青年科技之星”。

研究领域：粒子类计算方法、流固耦合计算；船舶水动力学；CFD数值模拟。

文章摘要

随着船舶尺度的增大，船体结构的刚度逐渐减小。这意味着波浪激励频率和船体结构振动的固有频率变得更加接近，从而使得水弹性响应问题变得更为突出，图1为近年来发生的大型集装箱船事故。准确地评估波浪载荷以及船体的运动响应是船舶设计和安全评估的关键。本文使用CFD-FEM耦合求解的方法研究了6750TEU集装箱船 (如图2) 的非线性水弹性响应。

图1. 大型集装箱船事故

图2. 6750TEU集装箱船的三维几何模型

文章内容

本研究探索了无航速情况下，波长船长比 (λ/L)、波浪频率结构固有频率比 (ω0/ωbeam)、波陡 (H/λ) 等因素对船体水弹性响应的影响；同时也研究了航速对船体响应的影响以及有航速情况下波陡对船体响应的影响。

波浪参数如表1，ω0是波浪的固有频率。通过改变船体结构的刚度，获得不同ω0/ωbeam下的垂向弯矩响应，如表2 (试验模型的船体梁弹性模量E=200Gpa)。

当λ/L小于1 (λ/L=0.857)，船体梁刚度较低时 (E=50Gpa),无量纲的垂向弯矩响应显示出很强的非线性特征，如图3 (a)。共振条件下 (E=103.5Gpa) 以及结构刚度更大条件下 (E=200Gpa) 的垂向弯矩响应相似。两者垂向弯矩响应幅值均比船体结构刚度较小 (E=50Gpa) 时偏小约9%。当λ/L接近于1和大于1时，船舯截面的无量纲的垂向弯矩不会因不同的ω0/ωbeam而有明显的差异，如图3 (b) 和图3 (c)。

图3. 不同λ/L下船舯截面的无量纲的垂向弯矩响应。(a) λ/L=0.857; (b) λ/L=1.070; (c) λ/L=1.228

之后，研究了不同λ/L和结构刚度下波浪非线性 (H/λ) 对船体响应的影响。波陡从1/28 (如表1) 变为1/50 (如表3)。分析了船体梁弹性模量E=50Gpa两种不同波陡下船舯截面的无量纲的垂向弯矩响应。

只有当λ/L小于1时，波陡存在明显的影响。无量纲的垂向弯矩幅值差异约14%，如图4 (a)。此外，F波浪载荷作用下的船舯截面的垂向弯矩时历曲线呈现出明显的非线性特征。然而，当波长船长比接近于1和大于1时，波陡对垂向弯矩响应非线性特性影响很小，如图4 (b) 和图4 (c)。

图4. 船体结构的弹性模量E=50Gpa时无量纲的垂向弯矩响应。(a) λ/L=0.857; (b) λ/L=1.070; (c) λ/L=1.228

进一步研究了λ/L=0.857~1.228，航速对船体响应的影响，选择船体梁的弹性模量E=200Gpa进行数值计算。不同波浪的计算参数如表4，其中V是船体航速，波陡为1/28，工况P1，P2和P3的波浪条件分别和F，K，M相同。

航速使得船体无量纲的刚体运动 (升沉和纵摇) 响应幅值显著地增大。但是，航速对船体水弹性响应的影响并不像刚体运动那样显著。有航速计算的无量纲的垂向弯矩幅值几乎和无航速计算的相等，如图5。

图5. 不同λ/L船体航速对水弹性响应的影响。(a1) λ/L=0.857时升沉运动时历曲线; (a2) λ/L=1.07时升沉运动时历曲线; (a3) λ/L=1.228时升沉运动时历曲线; (b1) λ/L=0.857时纵摇运动时历曲线; (b2) λ/L=1.07时纵摇运动时历曲线; (b3) λ/L=1.228时纵摇运动时历曲线; (c1) λ/L=0.857时VBM4时历曲线;(c2) λ/L=1.07时VBM4时历曲线; (c3) λ/L=1.228时VBM4时历曲线

紧接着定量地研究了有航速情况下，波陡对船体水弹性响应的影响。波浪参数如表5。

λ/L=0.857对应的L1和H1计算以及λ/L=1.07对应的L2和H2计算在不用的波陡下显示出明显的差异。波陡增大时，船舯截面的无量纲的垂向弯矩幅值增大约10% (如图6和图7)。但是，L3和H3计算的弯矩幅值差异较小 (如图8)。这表明在船体存在航速时，波陡对船体水弹性响应的影响也受到λ/L的影响。当λ/L小于和接近于1时，船体水弹性响应对波陡更加敏感。

研究结论

本文使用CFD-FEM耦合计算的方法对船体水弹性响应进行数值模拟。分别计算了无航速和有航速下的水弹性响应。

对于无航速的计算，λ/L对水弹性响应影响相当显著。对于λ/L小于1的情况 (0.857)，无量纲的垂向弯矩在船体结构刚度较低时 (E=50Gpa) 表现出很强的非线性特征，而不是在共振或者刚度更大的条件下。对于λ/L接近于1或者大于1的情况 (1.07和1.228)，在不同的ω0/ωbeam下无量纲的垂向弯矩无明显差异。当船体结构的刚度较低且λ/L<1条件下 (0.857)，波陡对船体水弹性响应影响更显著。

对于有航速的计算，在相同的波浪条件下无量纲的刚体运动幅值 (升沉和纵摇) 因为航行速度显著的增大。但是，无量纲的垂向弯矩不会相应地受到更大的刚体运动的影响。当λ/L小于和接近于1时 (0.857和1.07)，波陡对船体水弹性响应影响更显著。

期刊简介

Journal of Marine Science and Engineering (JMSE, ISSN 2077-1312, IF 2.033)是一份由MDPI出版的国际性开放获取的海洋科学与工程杂志。其发表内容涉及与海洋相关的所有领域，包括化学海洋学、物理海洋学、海洋生物学、海洋工程、地质海洋学、海岸工程、海洋环境科学、海洋能源等方面。