開題報(bào)告——三維物體著水動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析

1、 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開題報(bào)告題 目三維物體著水動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析學(xué) 院 專 業(yè)飛行器設(shè)計(jì)與工程學(xué)生姓名 學(xué)號(hào) 指導(dǎo)教師 職稱 畢設(shè)地點(diǎn) 2010年 4月21日61. 結(jié)合畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）課題任務(wù)情況，根據(jù)所查閱的文獻(xiàn)資料，撰寫15002000字左右的文獻(xiàn)綜述：三維物體著水，會(huì)激起周圍流體介質(zhì)的運(yùn)動(dòng)；反過來(lái)，流體介質(zhì)對(duì)結(jié)構(gòu)又施加各種反作用力，特別是在入水沖擊瞬態(tài)間（毫秒級(jí)）過程中會(huì)遭受巨大的沖擊載荷，這就涉及到結(jié)構(gòu)入水沖擊動(dòng)力學(xué)問題，入水問題的研究對(duì)入水結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)起著重要的作用：在三維物體著水過程即從空氣介質(zhì)侵入到流體介質(zhì)的過程中，會(huì)受到很大的流體砰擊載荷作用，可能導(dǎo)致局部失效。入水沖擊無(wú)論是在理論研

2、究試驗(yàn)研究還是數(shù)值計(jì)算方法研究方面都具有一定難度,國(guó)內(nèi)外在基于von karman和 wagner理論方法和數(shù)值分析方面已做了大量的研究工作。對(duì)于水陸兩用飛機(jī)而言，所設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)也必須能承受沖擊載荷的作用，然而撞水過程中，不僅結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生變形，而且自由液面還會(huì)產(chǎn)生大幅度波動(dòng)，另外流固接觸面又不能事先確定，因此難度較大，關(guān)于撞水響應(yīng)的研究還有不少問題有待進(jìn)一步深入。對(duì)于入水沖擊問題的研究，最早是1929年von karman采用附加質(zhì)量代替流體作用來(lái)分析入水沖擊問題，提出附加質(zhì)量法計(jì)算入水沖擊載荷，將水上飛機(jī)降落過程中的浮舟理想化為二維楔形體入水過程，采用動(dòng)量守恒定律推導(dǎo)了入水沖擊載荷的計(jì)算公式。為了

3、采用動(dòng)量守恒定律，von karman 假設(shè)入水初期流體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)能量守恒，提出附加質(zhì)量的概念，認(rèn)為侵水過程中，入水體減速喪失的動(dòng)量轉(zhuǎn)化成所形成的流場(chǎng)的動(dòng)量的增加量。1932 年，wagner將von karman 的方法理論化，又考慮到?jīng)_擊時(shí)水面的抬升現(xiàn)象，提出了小斜升角模型的近似平板理論，成為現(xiàn)今理論研究的基礎(chǔ)。并且引入了水波影響因子，運(yùn)用伯努利方程導(dǎo)出了沖擊壓力在結(jié)構(gòu)沾濕面上的分布狀況，使理論分析更符合實(shí)際問題。在此間，wagner提出的平板理論在求解入水過程中結(jié)構(gòu)受力狀況和流體動(dòng)能得到廣泛應(yīng)用，同時(shí)他提出自相似解法，為以后其他相似解奠定了基礎(chǔ)。mayo在 wagner 理論基礎(chǔ)上，考慮了

4、波浪對(duì)附加質(zhì)量的影響、沾濕面上的壓力分布以及引起最大沖擊載荷的影響，針對(duì)19291938 年出現(xiàn)的大量理論分析水上飛機(jī)著陸問題，根據(jù)實(shí)際情況對(duì)理論結(jié)果作了相應(yīng)的修正。而milwitzhy考慮到水上飛機(jī)到?jīng)_擊滑行過程中的俯仰力矩、滑行角與 v 型浮舟的斜升角等因素，采用無(wú)量綱分析方法簡(jiǎn)化了數(shù)學(xué)模型。在 50 年代，針對(duì)入水問題的研究國(guó)外出現(xiàn)了第一個(gè)高潮，這個(gè)時(shí)候的特征是開始考慮到流體的壓縮效應(yīng)。假設(shè)入水結(jié)構(gòu)物中聲速為無(wú)限大，流體是理想可壓縮勢(shì)流，按照平板入水沖擊問題來(lái)對(duì)待，在出現(xiàn)空泡以生最大沖擊載荷。eroshin 等對(duì)壓縮效應(yīng)進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)和理論研究，得出采用不可壓縮流體計(jì)算的比實(shí)際大的原因

5、，這是由于實(shí)際入水沖擊引起了流體可壓縮效應(yīng)所致。近期入水沖擊問題的研究是隨著數(shù)值分析方法不斷完善，使利用有限元對(duì)流體域和固體域單獨(dú)建立數(shù)值模型成為可能，將流體模型和結(jié)構(gòu)模型耦合為一個(gè)水彈性模型，可以解決復(fù)雜三維幾何結(jié)構(gòu)入水問題，也可以處理流體可壓縮性、非線性自由液面邊界條件以及結(jié)構(gòu)變形等問題。在國(guó)內(nèi)，張效慈將入水問題分為撞水和砰擊兩種現(xiàn)象，它們既有共性也有異性。結(jié)構(gòu)和流體之間的相互作用是入水問題的共性；而它們的異性則是，撞水是單次性的現(xiàn)象，入水速度高達(dá)幾十米每秒甚至百米每秒，而砰擊是結(jié)構(gòu)和流體周期性的作用現(xiàn)象，即便高速雙體船的入水速度也不是很高。但不管是撞水現(xiàn)象還是砰擊現(xiàn)象，在分析中都要對(duì)非線

6、性自由液面、沖擊引起的液面隆起和飛濺進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，并且研究對(duì)象大多是簡(jiǎn)單的二元模型，在分析入水沖擊問題中一般基于勢(shì)流理論，流體運(yùn)動(dòng)的速度勢(shì)滿足laplace 方程： 陳學(xué)農(nóng)等利用時(shí)間步進(jìn)法和邊界元方法，分析平頭物體在垂直和斜入水情況下的入水動(dòng)力學(xué)過程，將隱式時(shí)間差分法運(yùn)用到數(shù)值計(jì)算上。顧懋祥等嚴(yán)格采用滿足流體力學(xué)和彈性力學(xué)的數(shù)值計(jì)算方法，在時(shí)間域中用步進(jìn)法，殼體固體域采用錐殼單元有限元方法，用差分方法求解流體域控制方程，得出入水沖擊力和流場(chǎng)變化。李森虎等采用質(zhì)點(diǎn)網(wǎng)格法針對(duì)二維平頭結(jié)構(gòu)物入水撞水進(jìn)行模擬，并考慮到氣墊效應(yīng)以及入水空泡現(xiàn)象。鄭際嘉等進(jìn)行了剛性圓板自由落體入水的數(shù)值分析。錢勤等提出了

7、一種混合數(shù)值方法求解撞水問題，任意的拉格朗日歐拉邊界元的有限元混合方法，充分證明邊界元方法在進(jìn)行入水問題的數(shù)值分析中的優(yōu)越性。王冰等利用邊界元方法耦合非線性自由液面步進(jìn)法求解入水問題，給出圓柱的撞水現(xiàn)象和楔形剛性體砰擊現(xiàn)象的算例。進(jìn)行了剛性圓板自由落體入水的數(shù)值分析。 在國(guó)外，近來(lái)入水問題的研究理論上基本遵循wagner漸近匹配近似理論。入水問題研究中，無(wú)論從理論研究到數(shù)值分析，還是從經(jīng)驗(yàn)公式到匹配漸近展開方法，常常假設(shè)水面在碰撞接觸時(shí)候是水平自由液面，而忽視流固交界面之間的氣墊效應(yīng)。cointe等和 howison等對(duì)小斜升角楔形體入水試驗(yàn)中存在壓力振動(dòng)現(xiàn)象進(jìn)行分析，認(rèn)為忽略氣墊效應(yīng)不會(huì)對(duì)計(jì)

8、算結(jié)果產(chǎn)生很大差異。wilson 等對(duì)入水沖擊初始階段交界面出現(xiàn)的氣墊層進(jìn)行建模，通過無(wú)量綱方法利用漸近理論得到解析解。yettou 等通過對(duì)五種楔形體模型以自由落體方式入水沖擊進(jìn)行試驗(yàn)，得出影響壓力系數(shù)的重要因素，分析了各因素對(duì)沖擊載荷變化的影響。入水動(dòng)力學(xué)問題必須考慮入水結(jié)構(gòu)受到?jīng)_擊載荷作用下的失穩(wěn)和屈曲，并預(yù)測(cè)產(chǎn)生屈曲的臨界沖擊載荷峰值。入水沖擊屈曲準(zhǔn)則是通過試驗(yàn)分析細(xì)長(zhǎng)體在周期性入水沖擊載荷作用下的動(dòng)態(tài)屈服，并著重分析不同加載方式和長(zhǎng)細(xì)比對(duì)屈服行為的影響給出的。在數(shù)值計(jì)算方面，所有的數(shù)值計(jì)算都在簡(jiǎn)化的無(wú)限求解域上進(jìn)行。anghilei等利用有限元分析剛性球垂直入水。faltinsen采

9、用數(shù)值方法建立了兩種數(shù)值模型，通過入水跌落試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證理論結(jié)果和數(shù)值結(jié)果。korobkin等將邊界元和有限元差分法應(yīng)用到懸浮體受到?jīng)_擊引起的液流的非定常問題的分析上。donguy等用一種數(shù)值分析方法對(duì)二維和三維、剛性體和彈性體入水以及耦合非耦合情況進(jìn)行詳細(xì)分析，這是一種變化的有限元公式，在迭代過程中求得沾濕修正因子，通過流固耦合矩陣來(lái)處理固體和流體之間的相互作用，認(rèn)為cionte和howsion等計(jì)算的二維楔形體入水產(chǎn)生的最大沖擊水動(dòng)壓力比實(shí)際的高。park提出了基于無(wú)粘勢(shì)流理論的切片數(shù)值方法，分析計(jì)算高速入水的沖擊載荷和入水過程可能產(chǎn)生的忽撲行為。battistin等討論二維對(duì)稱體垂直入水過程

10、中，作用在沖擊結(jié)構(gòu)物上的水動(dòng)力載荷。引用速度勢(shì)理論和非線性邊界積分,在沾濕面上應(yīng)用 neumann條件，在自由液面上用dirichlet 條件，采用運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)條件，通過對(duì)非定常的伯努利方程進(jìn)行積分得到自由液面上的速度勢(shì)，解決了沖擊產(chǎn)生的射流導(dǎo)致局部奇異性問題。在勢(shì)流理論基礎(chǔ)上采用邊界元和淺水域入水射流近似方法分析入水水動(dòng)力問題，在射流區(qū)域建立了可以提供自由面形狀和沾濕面壓力分布的模型，簡(jiǎn)化射流厚度對(duì)速度場(chǎng)的極大影響，采用了自相似理論控制邊界值問題。seif1等對(duì)入水沖擊問題涉及的空氣、液體和固體三相域進(jìn)行分析，在對(duì)稱和非對(duì)稱入水沖擊現(xiàn)象下利用流體體積法計(jì)算自由液面的位置變化。takagi將

11、橢物體視為二維入水體，采用位勢(shì)方法精確計(jì)算附加質(zhì)量、入水速度和侵深，計(jì)算結(jié)果更符合三維砰擊入水的實(shí)際過程。oger 等采用基于光滑質(zhì)子水動(dòng)力學(xué)的無(wú)網(wǎng)格方法處理入水沖擊問題中涉及到的流體可壓縮性，在耦合程序中利用 runge kutta 和 sph 法不斷更新速度和位移信息計(jì)算作用在剛性體上的水動(dòng)力壓力。2. 畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)要研究或解決的問題和擬采用的方法：本次畢業(yè)設(shè)計(jì)所要解決的問題是：1. 學(xué)習(xí)并掌握patran軟件的使用方法，了解有限元的基本概念和理論；2. 學(xué)習(xí)并掌握dytran軟件的使用方法，掌握流固耦合問題的建模和分析方法；3. 對(duì)三維結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模，并分析其著水的動(dòng)態(tài)響應(yīng)；對(duì)于這個(gè)題目的

12、解決方案，首先要學(xué)習(xí)兩個(gè)軟件，即patran軟件和dytran軟件。patran軟件是一款建模軟件，主要用于有限元分析的初期工作，這里主要計(jì)算要用的軟件是dytran軟件，dytran軟件能將拉格朗日求解器與歐拉求解器聯(lián)合起來(lái)使用，能夠處理各種流固耦合問題。dytran軟件的拉格朗日求解方法就是把節(jié)點(diǎn)固定在分析對(duì)象上，通過連接有關(guān)節(jié)點(diǎn)形成單元，再由單元組成網(wǎng)格。當(dāng)分析對(duì)象變量是，節(jié)點(diǎn)隨著材料而移動(dòng)，同時(shí)單元也隨之變形，因此，拉格朗日方法計(jì)算的是質(zhì)量恒定的單元的運(yùn)動(dòng)，它主要用于對(duì)結(jié)構(gòu)的分析。而當(dāng)采用歐拉方法時(shí)，節(jié)點(diǎn)固定在空間中，再由相關(guān)節(jié)點(diǎn)連接而成的單元僅僅是空間的劃分。歐拉網(wǎng)格僅僅是一個(gè)固定的參照系，分析對(duì)象的材料在網(wǎng)格中流動(dòng)，材料的質(zhì)量，動(dòng)量及能量從一個(gè)元素流向另一個(gè)元素。因此，歐拉算法計(jì)算的是材料在體積恒定的元素中的運(yùn)動(dòng)，它主要用于流體流動(dòng)問題的分析以及固體材料發(fā)生很大的變形的情況。流-固耦合分析主要用于解決流體與結(jié)構(gòu)之間的相互作用效應(yīng)。我要做的畢業(yè)設(shè)計(jì)是三維物體的著水響應(yīng)問題，應(yīng)該應(yīng)用耦合算法來(lái)分析。關(guān)于流固耦合算法就是使拉格朗日網(wǎng)格和歐拉網(wǎng)格之間相互作用。從而使得程序可以分析復(fù)雜的流固耦合問題。最初，歐拉求解器與拉格