一种CFD-FEM-SPH四向耦合的载液船舶水弹性响应模拟方法

一种cfd-fem-sph四向耦合的载液船舶水弹性响应模拟方法
技术领域
1.本发明属于船舶水弹性预报技术领域，具体涉及一种cfd
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fem
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sph四向耦合的载液船舶水弹性响应模拟方法。


背景技术：

2.随着全球对石油、天然气、氢气等能源需求的日益增长，以超大型油船、液化天然气运输船、化学品船为代表的各种载液船舶的数量迅速上升。随着此类船舶的大型化、高速化、轻量化以及国际贸易的全球化发展，使得航行于远洋恶劣海况中的船体运动与结构载荷问题日渐突出。例如，过大的船体摇荡运动会降低船舶稳性，甚至还可能会导致船体倾覆。巨大的波浪载荷会威胁船体结构的安全性，进而可能对船体局部结构或整体结构造成破坏。此外，由于风浪流等环境载荷的作用，液舱内的液体也会在船体摇荡运动的激励作用下诱发晃荡现象，对舱壁等船体结构产生巨大的液体冲击力，进而可能会导致船体结构破坏、船舶倾覆以及海洋环境污染等灾难性后果。因此，在载液船舶的设计分析中应将船舶运动、波浪载荷、结构变形与液舱晃荡的耦合作用综合考虑。尤其是当波浪遭遇频率、船体固有频率、液舱晃荡固有频率中的两者或三者相互接近时，会导致船体大幅运动、结构共振响应或液舱内流体的晃荡作用的显著增加。
3.目前，船舶在波浪中运动与波浪载荷的数值模拟主要采用势流理论和计算流体动力学(cfd)方法，但未能合理考虑液舱晃荡问题及其对全船运动与波浪载荷的影响。采用有限元方法(fem)可以研究波浪载荷作用下的船体结构强度与变形效应，但目前的技术水平主要局限于静态或准静态加载，即将水动力分析所得到的船体湿表面压力施加到结构有限元模型上进行单独分析，难以考虑流固耦合的动态效应。采用光滑粒子流体动力学(sph)方法能够很好地模拟液舱晃荡问题，并有效解决局部流场破碎、液体飞溅等强非线性剧烈流动现象。但现有的方法一般难以考虑液舱晃荡与船体在波浪中运动的耦合效应，几乎没有方法能够将船舶结构载荷、水弹性响应及液舱晃荡问题综合考虑。


技术实现要素：

4.本发明的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提出了一种cfd
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fem
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sph四向耦合的载液船舶水弹性响应模拟方法，将船体运动、波浪载荷、液舱晃荡、结构响应的共同作用综合考虑，充分考虑各类流固耦合问题，能够更精确地模拟载液船舶在波浪中航行时的运动和受力情况。
5.为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
6.一种cfd
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fem
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sph四向耦合的载液船舶水弹性响应模拟方法，包括以下步骤：
7.s1、在fem求解器中建立船体结构三维有限元模型，对船体结构进行有限元网格划分，并定义各类结构单元的参数及施加约束与载荷；
8.s2、在cfd求解器中建立数值水池模型，建立水池流体域和船体外壳模型，设置各项条件；
9.s3、在sph求解器中建立液舱晃荡模型，对液舱进行属性设置；
10.s4、设置cfd
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fem
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sph四向流固耦合的数据传递方法；
11.s5、程序运行求解及数据导出。
12.进一步的，cfd求解器用于模拟数值水池波浪场以及船体外部的流体流动，sph求解器用于模拟船体液舱内部的流体晃荡流动，fem求解器用于模拟船体结构及液舱舱壁在流体力作用下的运动和结构变形。
13.进一步的，步骤s1具体为：
14.在fem求解器中建立船体结构的三维有限元模型，包括船体外壳、加强骨材以及液舱舱壁结构；
15.船体结构有限元网格划分，针对船体外壳和液舱舱壁进行壳单元网格划分，针对加强骨材进行梁单元网格划分；
16.船体结构材料属性定义，定义船体外壳、加强骨材以及液舱舱壁的质量、密度、刚度、弹性模量、泊松比以及结构阻尼；
17.施加约束和载荷，结合船体运动自由度对网格节点施加位移约束，根据网格所受载荷类型施加相应载荷。
18.进一步的，步骤s2具体为：
19.在cfd求解器中建立水池流体域，水池流体域为长方体空间域，由4个侧壁面、底面和顶面共6个面围成；
20.建立船体外壳模型，船体外壳由船体板和甲板组成；
21.设置船体的重量、重心位置和转动惯量，设置船体在流体域中的位置；
22.采用流体体积法将水池流体域划分为水和空气两部分；
23.对水池流体域进行网格划分，并在船体和自由面附近进行网格加密；
24.设置网格变形方式，分别采用重叠网格和变形网格技术模拟船体运动和结构变形，实现网格的混合变形；
25.设置边界条件，水池流体域的4个侧壁面和底面采用速度入口，顶面采用压力出口，船体外表面采用无滑移壁面；
26.设置造波与消波模式，采用动量源项进行数值造波，采用强迫波力技术进行波形控制与消波；
27.设置流体反向平动速度从而实现船舶前进航速。
28.进一步的，步骤s3具体为：
29.在sph求解器中建立液舱的几何模型，液舱具体为多个舱壁面围成的空腔区域，其内部填充部分液体；
30.流体粒子填充与属性设置，对液舱进行水粒子填充与生成，设置重力加速度、流体密度、粘性类型、粘性系数以及粒子间距；
31.设置边界条件，设置舱壁的属性，设置粒子的类型和生成模式。
32.进一步的，步骤s4具体包括：
33.设置cfd求解器与fem求解器之间的数据传递方法；
34.设置sph求解器与fem求解器之间的数据传递方法。
35.进一步的，设置cfd求解器与fem求解器之间的数据传递方法具体为：
36.cfd求解器与fem求解器进行双向耦合中，cfd求解器将作用于船体表面上的流体压力和剪切力传递给fem求解器；fem求解器根据外部流场力、刚体惯性力以及结构弹性力对船体结构进行动力分析，并将所得到的船体运动和变形反馈给cfd求解器，用于更新流场信息；
37.fem模型中的各个网格上的流体力通过高斯面积分得到，每个高斯点处的流体压力定义为与其距离最近的cfd体网格节点处的压力值；cfd体网格节点的位移和变形则通过其周围fem网格节点的位移的形函数插值获取；
38.设置sph求解器与fem求解器之间的数据传递方法具体为：
39.设置sph求解器与fem求解器双向耦合中，sph求解器将作用于舱壁表面上的流体压力和剪切力传递给fem求解器；fem求解器将液舱晃荡载荷添加到全船结构的受力分析中，并考虑液舱舱壁的结构变形效应，将液舱的运动与变形情况反馈给sph求解器，用于更新舱壁振动和变形信息；
40.fem模型中的各个网格上的流体力通过高斯面积分得到，每个高斯点处的流体压力定义为与其距离最近的sph粒子处的压力值。
41.进一步的，设置cfd
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fem
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sph求解器的四向流固耦合方法，设置cfd求解器与fem求解器进行双向耦合并相互传递数据，设置sph求解器与fem求解器双向耦合并相互传递数据，cfd和sph求解器之间不发生耦合与数据交换。
42.进一步的，步骤s5具体为：
43.设置联合模拟方法为隐式的分区交错耦合算法；
44.程序运行求解，设置计算时间步长、总模拟时长、每个时间步长内的数据交换次数，并同步运行三种求解器进行数值模拟计算；
45.输出结果数据，在cfd求解器中输出波面高程、船体表面压力，在sph求解器中输出液面高度、舱壁压力，在fem求解器中输出船体运动、剖面载荷、局部应力、结构变形。
46.进一步的，cfd求解器具体采用openfoam软件，fem求解器具体采用deal.ii软件，sph求解器具体采用dualsphysics软件；
47.采用precice软件作为耦合平台。
48.本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
49.1、本发明提出了考虑液舱晃荡问题的船舶运动、波浪载荷与水弹性响应的一体化的时域模拟方法，将船体运动、波浪载荷、液舱晃荡、结构响应的共同作用综合考虑，充分考虑各类流固耦合问题，能够更精确地模拟载液船舶在波浪中航行时的运动和受力情况。
50.2、本发明方法综合三类数值方法的优势，采用cfd模拟外部波浪场、采用fem模拟船体结构载荷与变形、采用sph模拟液舱晃荡粒子流动，其中cfd
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fem和fem
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sph均为双向耦合，共计四向耦合，完全考虑了各类流固耦合效应。
51.3、本发明方法除了能够分析波浪作用下柔性船体的弹振与颤振等水弹性响应外，还能同时考虑舱壁结构弹性变形对于液舱晃荡的影响；进而能够分析波浪遭遇频率、船体固有频率、液舱晃荡固有频率及其相互关系对于船体大幅运动、结构共振响应及液舱内流体共振的影响，为载液船舶的设计研发提供可靠方法。
附图说明
52.图1是本发明方法的流程图；
53.图2是用于fem求解器的船体结构模型的中纵剖面示意图；
54.图3是用于fem求解器的船体结构模型的中横剖面示意图；
55.图4是fem求解器生成的船体结构外壳的有限元网格；
56.图5是用于cfd求解器的数值水池模型侧视图；
57.图6是用于cfd求解器的数值水池模型正视图；
58.图7是cfd求解器中船体外壳的几何模型示意图；
59.图8是cfd求解器中流体域网格划分示意图；
60.图9是cfd求解器中船体表面的面网格划分示意图；
61.图10是用于sph求解器的液舱模型侧视示意图；
62.图11是cfd、fem、sph求解器在流固耦合问题中各自的作用区域；
63.图12是cfd
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fem
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sph四向耦合的数据交换途径；
64.图13是cfd和fem求解器之间的数据传递方法；
65.图14是sph和fem求解器之间的数据传递方法；
66.图15是cfd求解器模拟的船模在波浪中的运动情况；
67.图16是sph求解器模拟的液舱晃荡时某时刻的粒子及运动速度分布情况；
68.附图标号说明：1-船体板；2-甲板；3-纵骨；4-液舱舱壁；5-水域；6-空气域；7-自由面；8-水粒子；9-气隙；10-cfd网格单元；11-cfd网格节点；12-fem网格单元；13-高斯点；14-sph粒子。
具体实施方式
69.下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
70.实施例
71.本实施例中，采用s175型集装箱船为例，计算模型的缩尺比为1:40，模型水线长4.375m、排水量370.5kg。在船体内部设有4个长方体液舱，并填充部分水并保留一定量的气隙9(装载率70％)。船模迎浪航行于规则波中，模拟过程中考虑船体结构在波浪作用下的柔性变形效应。
72.本实施例中，cfd求解器采用openfoam软件，fem求解器采用deal.ii软件，sph求解器采用dualsphysics软件。采用precice软件作为耦合平台，从而进行cfd与fem求解器以及sph与fem求解器之间的双向耦合数据交换。
73.如图1所示，一种cfd
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fem
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sph四向耦合的载液船舶水弹性响应模拟方法，包括以下步骤：
74.s1、在fem求解器中建立船体结构模型，在本实施例中，具体包括以下步骤：
75.s11、建立船体结构的三维有限元模型，包括船体外壳、加强骨材、液舱舱壁4结构。船体外壳包括船体板1和甲板2，加强骨材为七根沿船长方向布置的纵骨3。本实施例中采用的船体结构模型的中纵剖面和中横剖面的示意图分别如图2和图3所示。
76.s12、船体结构有限元网格划分，针对船体外壳和液舱舱壁进行壳单元网格划分，
壳单元采用sfm3d4类型；针对加强骨材进行梁单元网格划分，梁单元采用b32类型。本实施例中生成的船体结构外壳的有限元网格如图4所示。
77.s13、船体结构材料属性定义，定义船体外壳、加强骨材以及液舱舱壁的质量、密度、刚度、弹性模量、泊松比、结构阻尼。本实施例中，根据实际的船体质量分布情况，设置各结构单元的质量；根据实际的船体刚度分布情况，设置结构单元的刚度。船体结构采用钢材，密度设为7850kg/m3、弹性模量为206gpa、泊松比0.3。
78.采用瑞利阻尼模型，假设阻尼矩阵可表示为质量矩阵和刚度矩阵的线性组合，并输入无因次阻尼系数0.05。
79.s14、施加约束和载荷，结合船体运动自由度对网格节点施加位移约束，根据网格所受载荷类型施加相应载荷。本实施例中，由于只考虑船体在迎浪规则波中的垂向运动，因此，需要限制各网格节点的横向运动(包括横荡、艏摇和横摇)；为了防止船体的纵向漂移，需要在船体重心位置处的节点上施加纵荡位移约束。释放船体的纵摇和升沉运动自由度。
80.对所有网格节点施加重力载荷，对于与外部流场相接触的船体表面和与舱内液体相接触的舱壁的网格节点施加相应的流体载荷(包括流体压力和剪切力)，此流体载荷由cfd或sph求解器计算得到。
81.s2、在cfd求解器中建立数值水池模型，建立水池流体域和船体模型，设置各项条件，在本实施例中，具体包括以下步骤：
82.s21、建立水池流体域，水池流体域为长方体空间域，由4个侧壁面、底面和顶面共6个面围成。水池流体域在船舶纵向x轴、横向y轴、垂向z轴的尺寸分别为-2.3l《x《2.7l、-2.3l《y《2.3l、-2.3l《z《1.1l，其中l为船模水线长度。数值水池流体域和船体模型的相对位置的侧视图和正视图分别如图5和图6所示。
83.s22、建立船体外壳的几何模型，船体外壳由船体板1和甲板2组成。船体外壳的几何模型如图7所示。
84.s23、设置船体的重量、重心位置和转动惯量，设置船体在流体域中的位置。船模的重量为370.5kg，重心纵向位置距离艉柱2.125m、重心垂向位置距离基线0.213m，纵摇惯性半径为1.052m、横摇惯性半径为0.241m。船体中纵剖面、艉柱横剖面和静水面的交点设置在坐标原点处。
85.s24、采用流体体积法将水池流体域划分为水域5和空气域6两部分，自由面7的垂向位置位于坐标原点高度处。
86.s25、对流体域进行网格划分，并在船体和自由面7附近进行网格加密。采用六面体非结构化网格对计算域进行网格划分，采用重叠网格方案，计算域包括背景区域和重叠区域两部分。为精确捕捉自由液面和船体周围的湍流等物理量的剧烈变化，在自由液面以及船体周围进行局部网格加密。波高范围内包含16层网格，波长范围内包含80层网格，船体外壳壁面处设置5层边界层网格。流体域的体网格划分如图8所示，船体表面的面网格划分如图9所示。
87.s26、设置网格变形方式，分别采用重叠网格(overset grid)和变形网格(morphing grid)技术模拟船体运动和结构变形，实现网格的混合变形。其中，重叠网格技术用于模拟船体在波浪中的大幅运动，变形网格技术用于模拟船体结构的弹性变形。
88.s27、设置边界条件，水池流体域的4个侧壁面和底面采用速度入口，顶面采用压力
出口，船体外表面采用无滑移壁面。
89.s28、设置造波与消波模式，采用动量源项进行数值造波，采用强迫波力技术进行波形控制与消波。波浪场的流体域分为内域和外域两部分。在波浪强迫区域内，在navier-stokes方程中加入源项，以形成固定的目标波形并防止波浪反射。
90.s29、设置流体反向平动速度从而实现船舶前进航速。由于水池范围是有限的，船舶相对于水池是固定的，船舶航速通过给流体施加反向平动速度来实现。
91.s3、在sph求解器中建立液舱晃荡模型，在本实施例中，具体包括以下步骤：
92.s31、建立液舱的几何模型，液舱为由6个液舱舱壁4围城的长方体空腔域，其内部填充部分液体并留有气隙9(装载率70％)；液舱舱壁4可产生运动和结构变形。
93.s32、流体粒子填充与属性设置，对液舱进行水粒子8填充与生成，设置重力加速度、流体密度、粘性类型、粘性系数以及粒子间距。填充水粒子8后的液舱示意图如图10所示。本实施例中定义重力加速度为竖直向下9.81m/s2、流体密度1000kg/m3、阻尼系数取0.01、粘性因子取1。
94.s33、设置边界条件，设置液舱舱壁4的属性，设置粒子的类型和生成模式。将液舱舱壁4的六个边界面定义为壁面边界，设置生成模式为表面。设置粒子填充域的类型为流体。
95.s4、设置cfd
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fem
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sph四向流固耦合的数据传递方法，在本实施例中，具体包括以下步骤：
96.如图11所示，cfd求解器用于模拟数值水池波浪场以及船体外部的流体流动，sph求解器用于模拟船体液舱内部的流体晃荡流动，fem求解器用于模拟船体结构(含液舱舱壁4)在流体力作用下的运动和结构变形。如图12所示，在cfd
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fem
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sph四向耦合中，cfd和sph求解器分别与fem求解器进行双向耦合并相互传递数据，而cfd和sph求解器之间不发生耦合与数据交换。
97.s41、设置cfd求解器与fem求解器之间的数据传递方法，具体为：
98.在cfd
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fem双向耦合中，cfd求解器将作用于船体表面上的流体压力和剪切力传递给fem求解器；fem求解器根据外部流场力、刚体惯性力、结构弹性力对船体结构进行动力分析，并将所得到的船体运动和变形反馈给cfd求解器，用于更新流场信息。如图13所示，由于船体表面的cfd网格单元10与fem网格单元12是不匹配的(通常情况下fem模型中的船体表面网格要比cfd模型的粗糙)，数据传递不能直接进行。fem网格单元12上的流体力可通过高斯面积分得到，在四边形的fem网格单元12上引入9个高斯点13，每个高斯点13处的流体压力定义为与其距离最近的cfd网格节点11处的压力值。另一方面，cfd网格节点11的位移和变形则通过其周围fem网格单元12的节点位移的形函数插值获取。
99.s42、设置sph求解器与fem求解器之间的数据传递方法，具体为：
100.在sph
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fem双向耦合中，sph求解器将作用于液舱舱壁4表面上的流体压力和剪切力传递给fem求解器；fem求解器将液舱晃荡载荷添加到全船结构的受力分析中，并考虑液舱舱壁4的结构变形效应，将液舱的运动与变形情况反馈给sph求解器，用于更新液舱舱壁4的振动和变形信息。由于sph模型中采用无网格的粒子，与fem模型中的船体表面网格是不匹配的，数据传递不能直接进行。
101.如图14所示，fem网格单元12上的流体力可通过高斯面积分得到，在四边形的fem
网格单元12上引入9个高斯点13，每个高斯点13处的流体压力定义为与其距离最近的sph粒子14处的压力值。
102.s5、程序运行求解及数据导出，在本实施例中，具体为：
103.s51、设置联合模拟方法为隐式的分区交错耦合算法；
104.s52、程序运行求解，设置计算时间步长、总模拟时长、每个时间步长内的数据交换次数，并同步运行三种求解器进行数值模拟计算；在本实施例中，模拟计算时长为100s、计算步长为0.001s，每个时间步长内的迭代次数为12，流体与结构求解器之间的数据交换次数为3；
105.s53、输出结果数据，在cfd求解器中输出波面高程、船体表面压力，在sph求解器中输出液面高度、舱壁压力，在fem求解器中输出船体运动、剖面载荷、局部应力、结构变形。如图15所示为cfd求解器模拟的船模在波浪中的运动情况，如图16所示为sph求解器模拟的液舱晃荡时的粒子运动速度分布情况。
106.还需要说明的是，在本说明书中，诸如术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
107.对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。