双浮板液舱晃荡特性的数值研究

基于黏性流理论,采用动网格技术和6自由度模型,以及动量源方法,建立了双浮板液舱晃荡的数值模型。分别采用3种不同空间步长的网格离散计算区域,进行了网格收敛性验证。通过光滑液舱晃荡的模型试验和解析得到的爬高最大值,验证了数值模型的精确性。在载液率为50%,激励幅值为2 mm条件下,对双浮板液舱晃荡进行了数值计算,与光滑液舱相比,双浮板液舱晃荡的最大爬高明显减小。通过一个激励周期内双浮板液舱晃荡的波面显示发现,液舱晃荡模式由光滑液舱的驻波模式变为U管模式,晃荡模式的改变起到了明显地抑制液舱晃荡的效果。     

组合隔板抑制液舱晃荡机理的数值方法研究

液舱晃荡是船舶与海洋工程领域的热点问题,有效地抑制液舱晃荡、减小壁面冲击载荷关系着船体结构的安全。使用内嵌隔板是抑制舱内晃荡,减小壁面冲击载荷的有效手段。实际工程中,内嵌隔板的最优设计的前提是对隔板抑制晃荡的机理有深入了解。CIP法具有高精度、低耗散等特点,以THINC格式捕捉自由液面,可以再现液面破碎、翻卷、涡旋以及液滴飞溅等现象。基于此法,建立了数值液舱,对比了单一隔板和组合隔板抑制晃荡的效果。结果表明,内嵌隔板的安装在水平位置上应尽量靠近舱底中线,在垂直位置上应尽量靠近自由液面,且液面附近安装的双垂直隔板抑制晃荡能力最佳。     

基于遗传算法的缓波型立管多目标集成优化

缓波型立管由于设计参数较多且优化目标之间相互影响,设计结果具有很大的不确定性。随着代理模型和智能优化算法的发展,针对缓波型立管的优化可以提出更好的解决方案。以提高力学性能和经济效益为优化目标,采用基于Kriging插值模型和NSGA-II算法的多目标优化策略,对考虑顶部浮体影响的深水缓波型立管进行动力响应分析,并开展线型—截面双目标优化集成设计和线型—浮筒三目标优化集成设计。将处于不同几何尺度的设计变量进行集成,旨在各目标存在相互竞争的情况下,与截面、浮筒设计形成有效互动以提高线型设计的总体性能。结果表明,Pareto最优解集可提供多个选择方案,以满足工程实际需要。将所选最优方案与初始设计进行对比,并以疲劳性能和成本估算作为优化的校核指标,取得了理想的优化效果。     

海洋工程结构的多目标模糊优化设计

本文从模糊综合评判的角度出发，研究了海洋工程结构的多目标优化设计方法。运用模糊层次分析法来确定各追逐目标的重要性因子；通过模糊变换求得方案的模糊评判；并用理想评判集的模糊识别法确定设计方案的优劣。从而进行结构的优化设计。文章还给出了海洋平台桩腿结构的模糊优化设计实例。     

基于拓扑优化与多目标优化的集装箱相似畸变模型设计

使用相似原理构建缩尺模型是探究大型结构性能的最基本和最优途径。基于PATRAN软件的PCL语言与ISIGHT软件,提出一种联合静动力学、拓扑优化与多目标优化的集装箱相似畸变模型构建方法。利用拓扑优化的SIMP法(Solid Isotropic Material with Penalization)得到缩尺集装箱墙壁结构的最优材料分布,既保证了结构性能又降低了缩尺模型的重量;基于全局多目标算法建立优化模型,采用有限元方法对集装箱性能进行分析,以结构刚度和一阶模态频率为目标函数进行寻优,得到相似模型的最优设计参数。最终利用有限元分析验证该模型的合理性。结果表明:该方法具有一定的通用性,能为其它类似结构的相似模型构建提供参考。     

基于多目标遗传算法的潮流能水轮机专用翼型优化设计

根据潮流能水轮机的工作条件与技术要求,开发新型潮流能水轮机叶片专用翼型。建立多目标优化模型,采用遗传算法进行寻优求解,得到最大相对厚度范围为12.6%～38.8%的五种新翼型,构成潮流能水轮机叶片专用翼型族系列。开发了水平轴潮流能水轮机设计软件,搭建潮流能水轮机叶片翼型数据库,通过在潮流能水轮机设计软件中调用叶片翼型数据,为潮流能水轮机叶片设计提供方便。     

基于遗传算法的碟型水下滑翔机结构优化

以结构质量和应力作为目标函数,结构变形为约束条件,设计碟型水下滑翔机结构优化流程,采用单参数和多参数敏感度分析方法完成关键结构参数的筛选。采用拉丁超立方试验设计方法完成了对设计空间的采样布点工作,利用样本点数据创建了滑翔机结构优化的Kriging代理模型,并对Kriging代理模型进行了联合训练,使模型的拟合达到非常高的可用精度。采用NSGA-2第二代非支配排序多目标遗传算法对滑翔机进行了结构优化求解,得到了优化的Pareto前沿面最优解。优化结果显示,结构质量和应力较优化前分别降低5.57%和14.91%,文中所提方法在滑翔机结构优化设计中具有可行性。     

低温柔性管道关键结构层的多目标优化设计

低温柔性管道是海上浮式液化天然气装置系统(FLNG)的核心输运装备。针对低温柔性管道多材料、多层复合的结构设计难点,将其按照不同功能解耦成内衬层、抗拉铠装层以及辅助层三个关键结构层。基于神经网络模型(RBF)、Kriging模型以及响应面模型(RSM)三种建模方法建立了上述三个结构层响应分析的代理模型,并通过模型准确度的比较,发现RBF的误差均最小。在优化设计中,基于遗传算法分别对低温柔性管道上述关键结构层进行多目标优化设计。在内衬层结构的优化中,以质量及弯曲刚度最小为优化目标;在抗拉铠装层结构的优化中,以质量最小及拉伸刚度最大为优化目标;在辅助层结构的优化中,以质量、弯曲刚度及传热速率最小为优化目标。研究工作为低温柔性管道的结构提供了关键设计参数及理性的设计方法。     

弹性液舱内液体晃荡实验研究

通过物理模型实验,对水平简谐激励下弹性矩形液舱内液体晃荡问题进行了研究。实验中给出了不同液深和不同激励振幅下弹性液舱内液体最低阶固有频率。采用影像采集与分析系统获得液舱内自由液面的形状和高度,通过压力采集系统得到舱壁上的压力分布。实验中分析了不同液深、不同激励频率下弹性和刚性液舱内自由液面高度和晃荡压力的变化特性。比较了弹性和刚性液舱内不同位置处自由液面高度随外界激励频率的变化规律,以及舱壁上不同位置处的压力峰值随外界激励频率的变化规律。结果表明:非共振情况下,弹性和刚性实验结果及理论值三者的波高和压力较为接近。共振情况下,弹性和刚性波高基本相等,在近舱壁处二者明显大于理论值,而在远离舱壁处二者与理论值存在一定差别;弹性压力较刚性压力略小,但二者与理论值差别较大。     

A parametric sensitivity study on LNG tank sloshing loads by numerical simulations

A series of parametric sensitivity studies on unmatched dimensionless scale parameters is carried out on the liquified natural gas (LNG) tank sloshing loads by using a computational fluid dynamics (CFD) program. First, a brief dimensional analysis is conducted to identify the governing and non-matched non-dimensional parameters, assuming that Froude scaling law is adopted. Then the sensitivity of impact pressure is checked through numerical simulations against non-matched parameters, such as fluid viscosity, liquid-gas density ratio, and ullage pressure and compressibility. The CFD simulations are also verified against experimental results. It is concluded that the effects of viscosity and density ratio are insignificant, while the compressibility of ullage space plays an appreciable role, as was pointed out by Bass et al. [Bass, R.L., Bowles, E.B., Trudell, R.W., Navickas, J., Peck, J.C., Yoshimura, N., Endo, S., Pots, B.F.M., 1985. Modeling criteria for scaled LNG sloshing experiments. Transactions of the ASME 107, 272-280].     

A probabilistic assessment of design sloshing pressure time histories in LNG tanks

The violent motion (sloshing) of liquefied natural gas (LNG) in cargo tanks has attracted significant attention. Transformations of the LNG market have led to the increased transport of LNG in partially filled tanks, but established technology is mainly based on engineering experience with completely filled containers. This paper investigates a large sample of sloshing pressure measurements. It focuses on the magnitude of individual sloshing impact events, and their associated temporal and spatial patterns. The durations of these impacts are comparable to the natural frequency of an LNG container wall, so the details of their time histories are important in determining the structural response. Experiments are performed on tanks with high (92.5%) and low (30%) filling levels, for various wave headings. The common post-processing approach of representing impact pressure histories by a triangular profile is studied, and an alternative approach is presented. Two statistical models are used to describe the distribution of maximal pressures in sloshing impacts: a three-parameter Weibull model and a generalized Pareto model. The latter is found to be of questionable utility due to small sample sizes. It is observed that for low filling levels the sloshing impacts are of greater magnitude, having longer durations, smaller ratios of rise time to duration, and larger spatial extents. All these factors should in principle increase the structural response.     

三维弹性侧壁液舱内液体晃动波面的实验研究

通过物理模型实验,对弹性侧壁液舱和刚性液舱内液体晃荡问题进行了研究。由于流固耦合的影响,弹性侧壁液舱内液体晃荡的最低阶固有频率稍小于同尺寸的刚性液舱内液体晃荡的最低阶固有频率。液舱模型处于纵向简谐激励作用下,其中激励频率在最低阶固有频率附近。实验分析两种相对液深比h/L=0.167和h/L=0.333,在二阶模态的次共振和一阶模态的共振状况下,对弹性侧壁液舱与刚性液舱内不同测点的波面、振幅谱和晃动波高进行对比分析。结果表明:在浅液深(h/L=0.167)一阶共振下,流固耦合对波面形态的影响比较明显,弹性侧壁液舱内测点晃动波高明显大于刚性液舱内对应测点波高;而在一般液深(h/L=0.333)一阶共振下,水弹性效应减弱,弹性侧壁液舱与刚性液舱内对应测点处波高差异较小。     

液舱三维晃荡运动二阶共振理论解及特性分析

从无旋运动的理论出发,并利用微扰法,推导了液舱三维晃荡运动二阶共振问题的理论解。考虑纵荡和横荡运动情况,对液舱三维晃荡二阶共振问题进行了分析。当两个晃荡方向的和频(即其外部激发频率的和)或差频(即其外部激发频率的差值)等于液舱固有频率时,二阶共振发生;当某一晃荡方向(横荡或纵荡)外部激发频率与另一晃荡方向(纵荡或横荡方向)液舱某一固有频率的和或差值等于液舱另一固有频率时,二阶共振也会发生。进一步研究了各个二阶共振激发频率下水深变化对晃荡振幅的影响。结果表明,对于两个晃荡方向外部激发频率的和频和单一晃荡方向(纵荡或横荡)某一个激发频率与另一晃荡方向(横荡或纵荡)某一个属于奇模的固有频率的和频所引发的共振情况,水深变化对共振振幅大小的影响比较大;而对于相应差频所引发的共振情况,水深变化对共振振幅大小的影响比较小。     

Numerical simulation of three-dimensional sloshing phenomena using a finite difference method with marker-density scheme

In the present study, three-dimensional sloshing phenomena occurring in liquid cargo tanks are numerically simulated. The Navier-Stokes equations and continuity equation are used for the governing equations, and solved with a finite difference method in a rectangular fixed staggered mesh system. The positions of free surface are defined by the Marker density method satisfying the free-surface boundary conditions, and the flows of the gas and liquid regions are simulated simultaneously. The irregular leg length and star method is employed on the cells near the free surface for the computations of pressure. The computation results are compared with other experimental results to verify the consistency of the present numerical method, and the agreements are reasonably good. Furthermore, the flow characteristics inside a partially filled liquid tank of a real sized ship oscillating regularly and irregularly are computed to verify the possibility of practical application of the present method.     

Effects of perforated baffle on reducing sloshing in rectangular tank: Experimental and numerical study

A liquid sloshing experimental rig driven by a wave-maker is designed and built to study liquid sloshing problems in a rectangular liquid tank with perforated baffle. A series of experiments are conducted in this experimental rig to estimate the free surface fluctuation and pressure distribution by changing external excitation frequency of the shaking table. An in-house CFD code is also used in this study to simulate the liquid sloshing in three-dimensional （3D） rectangular tank with perforated baffle. Good agreements of free surface elevation and pressure between the numerical results and the experimental data are obtained and presented. Spectral analysis of the time history of free surface elevation is conducted by using the fast Fourier transformation.     

MPS方法数值模拟液舱晃荡问题

基于无网格粒子法MPS方法(moving particle semi-implicit method)研究了液舱晃荡问题。针对二维矩形液舱晃荡问题进行了数值验证,结果表明MPS方法能够很好地计算晃荡产生的拍击压力。同时将MPS方法应用到带隔板的液舱晃荡问题计算中,分析了二维和三维带隔板液舱晃荡问题。计算结果表明:隔板的存在很大程度地限制了流体的水平运动,隔板附近出现了自由面的翻卷、破碎和融合现象,MPS方法能够很好地模拟这些流动现象。计算得到的波高与实验测得的波高吻合较好,表明MPS方法模拟带隔板的晃荡问题具有一定的可靠性。     

设计相关动载荷作用下的水下耐压结构拓扑优化

常规耐压结构拓扑优化设计研究主要集中于静水压条件下的设计相关载荷拓扑优化理论及方法。但是,在深海环境下,耐压结构可能面临内爆所产生的冲击载荷,其载荷呈现高频率的周期性变化。为研究载荷变化对耐压结构优化设计的影响,在BILE模型的基础上,结合修正的SIMP插值模型,开展不同频率、设计相关动载荷作用下的水下耐压结构拓扑优化理论及方法研究。设计相关动载荷的难点在于不仅载荷的作用位置和方向在优化过程中发生变化,且其大小也随优化过程进行而发生变化,这是与常规设计相关静载荷本质的不同。通过经典的拱形结构优化算例验证BILE模型在动力学拓扑优化中的可行性,进而研究设计相关动载荷作用下的水下耐压结构的最佳拓扑形式。研究表明,在低频时,圆环型耐压结构无明显变化,但多球交接耐压结构在交接处会出现明显材料聚集;高频时,两者均发生明显变化,得到耐压结构新形式。关于设计相关动载荷作用下的水下耐压结构拓扑优化研究,将对新型水下耐压结构的探索具有一定的工程应用价值。