一种基于CFD-MBD的船舶水弹性双向耦合数值算法

本发明涉及船舶水弹性数值模拟的流固耦合研究，特别是涉及一种基于cfd-mbd的船舶水弹性双向耦合数值算法。

背景技术：

1、恶劣海况中舰船会大幅运动，船艏高频出入水，底部和外飘砰击、甲板上浪等现象十分显著，船体受到剧烈砰击会产生高频振动和船体梁的颤振响应，船和波之间发生高度非定常、强非线性相互作用，如今为了提升民船的经济性能和军船的远海作战能力，水面舰船正在向大型化、高速化和轻量化趋势发展；此外高强度钢和新型材料的应用使船舶在遭遇恶劣海况时容易诱发更剧烈的砰击响应，使船舶的弹性效应和颤振响应加剧，面对这种强非线性问题，传统的势流方法具有精度不足的局限性，而粘流方法难以考虑船体的弹性效应；目前已有针对刚性船舶基于分段受力积分的方法开展的船舶内力计算，但这种数值预报方法忽略了船舶弹性效应的影响，对于大型、轻量的船舶，其弹性效应可能非常剧烈，因此采用受力积分的方法开展船体剖面弯矩计算的准确性难以保证。

技术实现思路

1、鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于cfd-mbd的船舶水弹性双向耦合数值算法，用于解决现有技术中数值预报方法忽略了船舶弹性效应的影响的问题。

2、为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供如下技术方案：

3、一种基于cfd-mbd的船舶水弹性双向耦合数值算法，以上一时间步的流场和结构计算结果为当前时间步计算的初始值，每一时间步的计算流程包括以下步骤：通过水动力积分的方式得到船舶在浪流作用下的外力和外力矩；将船舶分段水动力载荷通过开源多物理耦合库precice应用输入船体梁多体运动计算模块内的三节点梁模型，通过所述三节点梁模型计算船体梁的弯曲变形，其中，有关弯曲变形的参数包括节点的位移，所述节点的位移包括线位移和角位移；将计算出船体梁的弯曲变形结果输入流场网格变形更新模块，通过流场网格变形更新模块更新流场贴体网格节点坐标，再通过求解拉普拉斯方程更新流场计算域网格；对更新后的流场计算域网格开展流场计算，根据流场计算结果和基于多体运动学方程开展的结构场计算结果实现考虑船舶弹性作用下的水弹性双向耦合数值计算。

4、一种电子设备，包括：至少一个处理器；以及，与所述至少一个处理器通信连接的存储器；其中，所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够执行如上述的基于cfd-mbd的船舶水弹性双向耦合数值算法。

5、于本发明的一实施例中，所述通过水动力积分的方式得到船舶在浪流作用下的外力和外力矩，包括：根据以下公式得到船舶在浪流作用下的外力和外力矩：

6、其中，fe为船舶在浪流作用下的合力，me为船舶在浪流作用下的合力矩，下标e代表是在大地坐标系下，m为船体的总质量，g为重力加速度矢量，rcg是从旋转中心到船体重心的矢量，r为从任意质点位置指向船舶重心的位置矢量。

7、于本发明的一实施例中，所述通过所述三节点梁模型计算船体梁的弯曲变形，包括：根据以下公式计算船体梁的弯曲变形：其中，x为刚体的节点位移，为刚体的节点速度，s和j分别为刚体相对于全局惯性坐标系的一阶和二阶惯量矩，q、γ分别为系统的动量和动量矩，为惯性力，为惯性力矩，f为结构受到的有限元节点等效载荷，m为结构受到的有限元节点上的力矩，r为刚体连体坐标系到全局惯性坐标系的坐标旋转矩阵，ω为刚体的角速度。

8、于本发明的一实施例中，所述将计算出船体梁的弯曲变形结果输入流场网格变形更新模块，通过流场网格变形更新模块更新流场贴体网格节点坐标，包括：将计算出船体梁的弯曲变形结果插值到结构单元网格上，再从结构单元网格上插值到流体单元网格上得到网格更新量，并根据所述网格更新量更新流场贴体网格节点坐标，该技术方案通过将计算出船体梁的弯曲变形结果进行两步插值变换，从而可以更新流场贴体网格节点坐标。

9、于本发明的一实施例中，所述将计算出船体梁的弯曲变形结果插值到结构单元网格上，再从结构单元网格上插值到流体单元网格上得到网格更新量，包括：根据以下公式将计算出船体梁的弯曲变形结果插值到结构单元网格上，再从结构单元网格上插值到流体单元网格上得到网格更新量：其中，ws1为s1结构网格节点上物理分量，we为流体网格节点上的物理量，在水动力载荷分配中分别标记为fs1和fe，r1和r2为节点之间的距离。

10、于本发明的一实施例中，所述通过求解拉普拉斯方程更新流场计算域网格，包括：根据以下公式更新流场计算域网格：其中，表示散度算子，对于任意一个矢量都可以开展散度运算，γ为扩散系数，u为网格节点的变形速度，其中，基于开源软件openfoam所提供网格更新函数，即可基于变形网格实现流场计算域网格的更新，而且在网格更新过程中，拓扑关系不发生改变。

11、于本发明的一实施例中，所述对更新后的流场计算域网格开展流场计算，根据流场计算结果和基于多体运动学方程开展的结构场计算结果实现考虑船舶弹性作用下的水弹性双向耦合数值计算，包括：对船体梁分段接收的流场水动力和梁节点位移进行对比，根据比对结果得到最终的速度场和压力场，并根据速度场和压力场实现考虑船舶弹性作用下的水弹性双向耦合数值计算，该技术方案通过比对结果可以得到最终的速度场和压力场，从而可以为下一个时间步的流场计算提供初始速度场与压力场。

12、如上所述，本发明的一种基于cfd-mbd的船舶水弹性双向耦合数值算法，具有以下有益效果：本发明通过水动力积分的方式得到船舶在浪流作用下的外力和外力矩，然后将船舶分段水动力载荷输入船体梁多体运动计算模块内的三节点梁模型，通过三节点梁模型计算船体梁的弯曲变形，并将计算出船体梁的弯曲变形结果输入流场网格变形更新模块，然后通过流场网格变形更新模块更新流场贴体网格节点坐标，再通过求解拉普拉斯方程更新流场计算域网格，最后对更新后的流场计算域网格开展流场计算，可以实现考虑船舶弹性作用下的水弹性双向耦合数值计算，从而能够更好地捕捉强非线性波浪砰击带来的水弹性响应影响，进而为船体结构的强度分析提供数据支撑，为船舶的安全性校核提供更好的保障。

技术特征：

1.一种基于cfd-mbd的船舶水弹性双向耦合数值算法，其特征在于，以上一时间步的流场和结构计算结果为当前时间步计算的初始值，每一时间步的计算流程包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种基于cfd-mbd的船舶水弹性双向耦合数值算法，其特征在于：所述通过水动力积分的方式得到船舶在浪流作用下的外力和外力矩，包括：

3.根据权利要求1所述的一种基于cfd-mbd的船舶水弹性双向耦合数值算法，其特征在于：所述通过所述三节点梁模型计算船体梁的弯曲变形，包括：

4.根据权利要求1所述的一种基于cfd-mbd的船舶水弹性双向耦合数值算法，其特征在于：所述将计算出船体梁的弯曲变形结果输入流场网格变形更新模块，通过流场网格变形更新模块更新流场贴体网格节点坐标，包括：

5.根据权利要求4所述的一种基于cfd-mbd的船舶水弹性双向耦合数值算法，其特征在于：所述将计算出船体梁的弯曲变形结果插值到结构单元网格上，再从结构单元网格上插值到流体单元网格上得到网格更新量，包括：

6.根据权利要求5所述的一种基于cfd-mbd的船舶水弹性双向耦合数值算法，其特征在于：所述通过求解拉普拉斯方程更新流场计算域网格，包括：

7.根据权利要求1所述的一种基于cfd-mbd的船舶水弹性双向耦合数值算法，其特征在于：所述对更新后的流场计算域网格开展流场计算，根据流场计算结果和基于多体运动学方程开展的结构场计算结果实现考虑船舶弹性作用下的水弹性双向耦合数值计算，包括：

8.一种电子设备，其特征在于，包括：

技术总结本发明提供一种基于CFD‑MBD的船舶水弹性双向耦合数值算法，包括以下步骤：确定船舶在浪流作用下的外力和外力矩；将船舶分段水动力载荷输入船体梁多体运动计算模块内的三节点梁模型，通过所述三节点梁模型计算船体梁的弯曲变形；将计算出船体梁的弯曲变形结果输入流场网格变形更新模块，通过流场网格变形更新模块更新流场贴体网格节点坐标，再通过求解拉普拉斯方程更新流场计算域网格；对更新后的流场计算域网格开展流场计算；本发明的有益效果为：本发明可以实现考虑船舶弹性作用下的水弹性双向耦合数值计算，从而能够更好地捕捉强非线性波浪砰击带来的水弹性响应影响，进而为船体结构的强度分析提供数据支撑，为船舶的安全性校核提供更好的保障。技术研发人员：王建华,肖家伟,贺帆,万德成受保护的技术使用者：上海交通大学技术研发日：技术公布日：2024/6/13