海底阀箱流—固耦合特性研究

论文摘要

船舶海底阀箱(又名海底门或海水阀箱)是舰船供水系统的主要结构之一。海底阀箱的可靠性直接关系到船舶的正常营运和船上人员的生活及安全。目前随着海军装备的日新月异,舰船各部分结构和系统的安全性及可靠性要求也在不断提高,以保障舰船的正常工作。但是船舶相关规范中关于海底阀箱方面的内容几乎是空白,因此,深入研究流体激励作用下海底阀箱的结构动响应问题具有重要的工程应用价值和学术研究意义。本文通过流固耦合数值模拟方法研究了海底阀箱的结构运动特性,并结合哈尔滨工程大学的实验数据对比分析,验证了数值模拟的可靠性。并且进一步对阀箱疲劳寿命进行了初步分析探讨,结合相关物理试验,验证了数值模拟的可靠性。第一,研究采用流固耦合数值模拟对海底阀箱进行结构动响应分析的方法。讨论并选择合适的湍流模型及较优的计算网格,对物理实验模型进行了流固耦合数值模拟,结果与物理实验数据吻合较好,验证了数值模拟方法的正确性。在此基础上,对四种常见结构形式的海底阀箱模型进行了流固耦合数值模拟。第二,对海底阀箱的振动特性进行了分析。分析包括结构固有特性(结构干、湿模态)和水流激励作用下的强迫振动特性。第三,通过FSI计算,对结构强度进行了校核。同时,为易于拟合强度计算公式,以不同跨度海底阀箱为研究对象,确定一种较优的简化加载方案,并依据简化加载结果拟合强度计算公式。第四,以某型船海底阀箱为例,分析其在工作状态下的动响应规律。海底阀箱在工作时,与外界存在质量交换现象,为此有必要考查质量交换对结构响应的影响。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 研究目的和意义
• 1.2 国内外研究进展
• 1.3 本文主要工作内容
• 第2章 流-固耦合计算方法
• 2.1 概述
• 2.2 流固耦合基本原理
• 2.2.1 流体运动方程的求解
• 2.2.2 结构运动方程的求解
• 2.2.3 FSI计算的关键问题
• 2.3 网格划分与边界条件定义
• 2.3.4 结构网格划分与边界条件定义
• 2.3.5 流体网格划分与边界条件定义
• 2.4 观测点布置与工况设定
• 2.5 分析参数定义
• 2.6 本章小结
• 第3章 海底阀箱干模态与湿模态计算分析
• 3.1 海底阀箱结构干模态分析
• 3.2 海底阀箱结构湿模态分析
• 3.3 海底阀箱固有频率对比分析
• 3.4 本章小结
• 第4章 海底阀箱响应特性分析
• 4.1 概述
• 4.2 质量交换时阀箱内流场现象分析
• 4.3 数值计算方法验证
• 4.4 质量交换阀箱内压力系数分布特性
• 4.4.1 同一雷诺数不同抽水速度对阀箱定常压力系数影响
• 4.4.2 不同雷诺数下相同抽水速度对阀箱定常压力系数影响
• 4.4.3 同一雷诺数不同抽水速度对阀箱脉动压力系数影响
• 4.4.4 不同雷诺数相同抽水速度对阀箱脉动压力系数影响
• 4.5 质量交换时海底阀箱的响应特性
• 4.5.5 振动特性
• 4.5.6 结构强度特性分析
• 4.5.7 加载方案研究
• 4.5.8 应力估算公式初探
• 4.6 本章小结
• 第5章 海底阀箱疲劳寿命分析
• 5.1 概述
• 5.2 疲劳计算方法分析
• 5.2.1 有限元分析
• 5.2.2 S-N曲线
• 5.2.3 累计损伤理论
• 5.3 海底阀箱疲劳寿命分析
• 5.3.4 有限元分析
• 5.3.5 阀箱疲劳寿命计算结果
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 个人工作简历
• 致谢