一种基于粘流理论的船舶水弹性单向耦合数值算法

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粘流理论的船舶水弹性单向耦合数值算法。

背景技术：

1、在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，如长度达到四百米的集装箱船，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。

2、申请号为cn202111069155.7，名称为“一种cfd-fem-sph四向耦合的载液船舶水弹性响应模拟方法”的发明专利，公开了一种基于cfd-fem-sph的考虑所承载液舱晃荡的船舶水弹性数值模拟方法，该专利采用开源fem求解器deal.ii来模拟船舶的刚体运动和弹性变形，对于程序开发而言，这种方法具有开发周期长、难以及时开展有效验证的缺点，而且相较于单向耦合，双向耦合的计算效率低，计算时间长。

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粘流理论的船舶水弹性单向耦合数值算法，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、一种基于粘流理论的船舶水弹性单向耦合数值算法，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，并将船舶看作刚体，根据六自由度运动计算公式得到船舶发生六自由度运动的速度和加速度；将船舶分段水动力载荷输入船体梁弹性变形模块内的一维梁模型，通过所述一维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；根据船舶发生六自由度运动的速度确定该时间步的刚体位移，并根据该时间步的刚体位移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；对更新后的流场网格进行迭代计算，根据迭代计算结果和船体梁的弯曲变形计算结果实现考虑船体弹性作用下的水弹性单向耦合数值计算。

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粘流理论的船舶水弹性单向耦合数值算法。

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，所述根据六自由度运动计算公式得到船舶发生六自由度运动的速度和加速度，包括：根据以下公式得到船舶发生六自由度运动的速度和加速度：其中，(u,v,w)表示船舶线速度矢量，(p,q,r)表示船舶角速度矢量，其中，物理量上加一个点的，表示对时间的导数，即加速度矢量的对应分量，(xs,ys,zs)表示船舶受到的合力；(ks,ms,ns)表示船舶受到的合力矩，(ix,iy,iz)为船舶绕旋转中心点的三个转动坐标轴的转动惯量，(xg,yg,zg)为船模重心到旋转中心的向量的三个分量。

8、于本发明的一实施例中，所述通过所述一维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，m为质量矩阵，c为阻尼矩阵，k为刚度矩阵，f为载荷向量，x、和分别为节点的广义位移、速度和加速度向量，其中包括了线变形成分和角变形成分。

9、于本发明的一实施例中，所述根据船舶发生六自由度运动的速度确定该时间步的刚体位移，并根据该时间步的刚体位移更新流场贴体网格节点坐标，包括：将船舶发生六自由度运动的速度乘以该时间步得到该时间步的刚体位移，并根据该时间步的刚体位移得到由于刚体运动导致的贴体网格节点坐标更新量；根据坐标转换矩阵将网格节点坐标更新量转换成大地坐标系下网格节点坐标的更新量，该技术方案根据坐标转换矩阵将网格节点坐标更新量转换成大地坐标系下网格节点坐标的更新量能够便于更新流场计算域网格。

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进行迭代计算，包括：通过求解vof方程更新自由面后开展速度方程的计算，之后根据所设置的pimple内迭代次数开展压力方程的更新计算，直至完成pimple内迭代的计算后对流场的湍流项开展修正计算，从而完成对流场的数据更新，该技术方案基于pimple算法的流程，从而完成对流场的数据更新，为下一个时间步的流场和结构计算提供数据支撑。

12、如上所述，本发明的一种基于粘流理论的船舶水弹性单向耦合数值算法，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，然后根据六自由度运动计算公式得到船舶发生六自由度运动的速度和加速度，并将船舶分段水动力载荷作为输入船体梁弹性变形模块内的一维梁模型，通过一维梁模型计算船体梁的弯曲变形，然后再根据船舶发生六自由度运动的速度得该时间步的刚体位移，并根据该时间步的刚体位移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进行迭代计算，从而可以实现考虑船舶弹性作用下的水弹性单向耦合数值计算，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：

1.一种基于粘流理论的船舶水弹性单向耦合数值算法，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所述的一种基于粘流理论的船舶水弹性单向耦合数值算法，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所述的一种基于粘流理论的船舶水弹性单向耦合数值算法，其特征在于：所述根据六自由度运动计算公式得到船舶发生六自由度运动的速度和加速度，包括：

4.根据权利要求1所述的一种基于粘流理论的船舶水弹性单向耦合数值算法，其特征在于：所述通过所述一维梁模型计算船体梁的弯曲变形，包括：

5.根据权利要求1所述的一种基于粘流理论的船舶水弹性单向耦合数值算法，其特征在于：所述根据船舶发生六自由度运动的速度确定该时间步的刚体位移，并根据该时间步的刚体位移更新流场贴体网格节点坐标，包括：

6.根据权利要求5所述的一种基于粘流理论的船舶水弹性单向耦合数值算法，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所述的一种基于粘流理论的船舶水弹性单向耦合数值算法，其特征在于：所述对更新后的流场计算域网格进行迭代计算，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粘流理论的船舶水弹性单向耦合数值算法，包括以下步骤：确定船舶在浪流作用下的外力和外力矩，并确定船舶发生六自由度运动的速度和加速度；将船舶分段水动力载荷输入船体梁弹性变形模块内的一维梁模型，通过所述一维梁模型计算船体梁的弯曲变形；根据船舶发生六自由度运动的速度确定该时间步的刚体位移，并根据该时间步的刚体位移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进行迭代计算；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单向耦合数值计算，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。技术研发人员：王建华,张文杰,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