第1章绪论
1.1江海直达船型
随着国家全面推动内河“黄金水道”开发，加快内河港口建设和技术改造步伐，推动内河港口产业升级，江海直达运输将迎来新一轮的高速发展。江海直达航线一直被业界称为“黄金航线”。这种“门”到“门”的一站直达式运输方式可以避免转运运输，打破传统运输方式运营成本高、营运周期长、货物中途损耗的桎梏，大幅提升水上高速运输能力，缩短货物转运周期的同时降低运输成本，将成为未来内河运输的主要形式。“4E”级江海直达船在节能(energy-saving)、环保(environment-friendly)、经济(economy)、高效(efficient)方面表现出色，可以极大地提高运输效率。其船型开发及升级对长江黄金水道的开发及长江经济带建设等均具有显著的推动作用。但是，目前长江运输船舶缺乏统一的技术标准，海船难入江、江船难出海，是长江航运产业发展面临的瓶颈之一。开发载量大、节能环保的江海直达新船型，完成老旧船舶的更新换代，有效推进长江船舶大型化、绿色化、标准化发展，实现江海联运，可有效推动长江航运产业的发展，促进经济增长空间从沿海向内陆拓展，带动中上游腹地发展，优化沿江产业结构，形**的区域增长极，促进长江上中下游地区的协调发展。江海直达示范船如图1-1所示。
图1-1江海直达示范船
考虑长江自然航道*率半径因素，船长主尺度受到制约，同时由于长江航道水深有限，加之桥梁高度的限制，船舶的型深和高度均被限制。因此，为提高船舶载重量，新型江海直达船须朝宽扁化、浅吃水的肥大船型方向发展。同时，为了提高货物装卸效率和运营经济效益，兼顾集装箱的装载能力，江海直达船型须具有开口长大的结构特点，即舱口的宽度达到，甚至超过船宽的80%，舱口长度达到舱壁间距离的90%，但是这会严重削弱船体的刚度。同时，宽扁肥大型江海直达船舶既在江段航行又在海域航行，遭遇的波浪环境变化范围较大。由于其非常规船型结构特点，开展宽扁型船体结构在非线性波浪载荷下的结构响应特性研究，对保障其结构安全具有重要的意义。
1.2江海直达船砰击载荷与响应问题
宽扁型江海直达船由内河航段进入海况相对恶劣的沿海航区航行时，船波运动相对剧烈，易导致船舶反复地出水和入水，使船底遭遇瞬态高峰值的砰击载荷。除此之外，由于内河航道的限制，江海直达船较海船宽扁，较小的吃水导致船体更易受到砰击载荷作用，并且物面受到的砰击压力幅值与作用范围较大。宽扁船型砰击载荷特性对船舶局部结构强度的安全性至关重要。一方面遭遇强非线性砰击载荷区域面临局部结构破坏风险，另一方面砰击载荷诱导的全船瞬态高频颤振响应与波激振动响应耦合作用对船体的总纵强度和疲劳极度不利。
因此，在船舶设计阶段必须准确地评估宽扁肥大船型遭遇的砰击载荷和船体结构的颤振响应。现有设计规范基于经验或回归公式对动态载荷进行考虑，而在砰击载荷对船舶运动和结构响应影响方面考虑较少。在宽扁型江海直达船结构设计与开发过程中，建立砰击载荷和颤振对船体结构影响的预报方法是迫切且必须的。
1.3船体局部砰击载荷与响应研究方法概述
1.3.1理论分析方法
船舶艏部砰击载荷具有高度的非线性特征，涉及的物理参量众多，包括物面形状、结构水弹性效应、入射波浪特性、船波相对运动、空气垫效应、遭遇波浪浪况、流体黏性、可压缩性等影响因素。研究人员通常从二维楔形体着手开展入水砰击载荷研究，进而对船体局部结构砰击载荷建立准确的计算方法。
Von Karman[1]率先对水上飞机入水砰击问题开展研究，忽略冲击对结构和流体的影响，基于冲量定理推导简单对称结构入水砰击压力计算公式，提出通过附加质量等效流体对结构冲击力的方法，开创了入水砰击研究领域。但是，他并未考虑重力、流体可压缩性、自由液面抬高，以及结构弹性变形等因素，特别是当斜升角趋近于0°，即平板结构入水时，模型计算得到的砰击压力趋向于无穷大，并不符合实际物理过程。各计算方法考虑的因素如表1-1所示。
Wagner[2]对vonKarman方法进行了修正，考虑结构边界液面堆积的影响，采用伯努利方程求湿表面的砰击压力分布，改进附加质量和砰击压力的计算结果。vonKarman与Wagner模型示意图如图1-2所示。此外，Wagner还提出平板近似理论模型(图1-3)，改进了浸湿宽度和砰击压力求解。Von Karman和Wagner基于动量守恒定理为后续入水砰击研究奠定了基础。
图1-2 von Karman与Wagner模型示意图
在Wagner方法中，平板边界处存在奇异性问题，需要进一步分析和修正，适用范围从楔形体结构推广至圆柱体、球体、圆锥体等。在未考虑重力作用的匀速入水过程中，部分学者认为结构入水砰击过程中的自由液面具有自相似性特点，但是求解稳态解对结构形状和入水速度有限制。Dobrovol’skaya[3]采用复变函数的保角变换方法得到斜升角大于30°的对称楔形体匀速垂向入水砰击过程的相似解。自相似流模型示意图如图1-4所示。Mackie[4]采用基于准动态的嵌套迭代法改进Dobrovol’skaya的相似理论解，扩展楔形体斜升角范围，使其适用于低至1°的楔形体入水砰击压力计算。Greenhow[5]利用复势的柯西公式对积分形式的自由面边界条件进行迭代，得到对称楔形体的相似解。
图1-3平板近似理论模型
图1-4自相似流模型示意图
对于较小斜升角结构的入水问题，Cointe等[6，7]将整个流场分为外域、内域、射流区，通过匹配渐进展开方法求解各区域内的速度势分布，对各区域边界上的速度势联合匹配求解，改善Wagner模型中不连续的问题，并提出二维圆柱体入水的砰击压力公式。Logvinovich[8]和Korobkin等[9]基于局部渐进展开方法在速度势中考虑附加项改善边界奇异性的问题，研究伯努利方程的非线性项与二阶项。Tassin等[10]分别采用传统Wagner解析法、广义Wagner解析法、改进的Logvinovich解析法，以及匹配渐近线展开法对二维轴对称物体冲击静水面的砰击压力物面分布和时间历程进行对比和分析，发现以上方法在较小斜升角的情况下吻合较好，但是在较大斜升角结构中，各解析法之间的差异较大。
如图1-5所示，由于自由射流处的压强近似为大气压，对结构受力影响较小，研究者通常对射流进行简单的截断处理，但在截断处容易造成数值误差，影响流体物面分离后的自由液面形态。鲍超明[11]对自由射流部分采用自由落体替代边界积分方程求解流体运动，可以避免细薄射流的数值不稳定性。段文洋等[12]对有限宽度楔形体剖面引入虚拟物面处理射流截断。
图1-5射流截断处理示意图
随着二维结构物入水砰击理论研究的深入，研究对象也从二维对称结构扩展至三维简单规则物面形式，并通过一系列二维近似加以修正处理。由于高速三维复杂结构物入水砰击理论仍待发展，因此需要建立更为合理准确的砰击载荷评估理论与分析方法。Faltinsen等[13]将广义Wagner模型推广至三维物体入水砰击问题，针对中部为圆柱体，两端为半球形的三维结构开展试验研究和数值计算对比分析。Scolan等[14]将入水砰击初期的边界条件线性化，并对自由液面的轮廓线采用渐近匹配展开方法，应用变分不等式拓展广义Wagner模型，对三维钝体结构入水理想不可压缩流体进行求解。但是，边界条件及伯努利方程的简化导致砰击载荷计算值相较于试验值偏高，同时该方法将物面边界条件用于自由液面，因此仅适用于较小斜升角结构的入水砰击问题。
1.3.2数值计算方法
砰击入水过程的强非线性涉及气垫效应，伴随着空泡及空穴现象、结构弹塑性变形因素、液体可压缩性、结构运动及湿表面非线性、船波相对运动，以及水弹性现象等，给结构入水砰击问题的求解带来巨大的挑战。随着计算机技术的飞速发展，船体入水砰击研究采用许多基于密集计算的新计算流体力学(computational fluid dynamics，CFD)方法，如BEM、有限元法(finite element method，FEM)、无网格光滑粒子流体动力学(smoothed particle hydrodynamics，SPH)方法、移动粒子半隐式(moving particle semi-implicit，MPS)方法等。
1.边界元法
边界元法中理想条件下流场的自由液面离散为不同尺寸的矩形单元，通过分布源强求解流固耦合湿表面相关的附连水质量，并迭代求解砰击载荷。因此，仅需在流场边界面处进行离散，避免内部流域的网格划分和计算。相比其他数值计算方法，其计算量大幅减少。
Zhao等[15，16]采用非线性边界元方法对4°～81°斜升角的对称楔形体匀速入水砰击过程进行数值计算，采用时间步进法求解二阶格林函数，对射流进行合理截断，使射流沿楔形体物面一维流动来避免数值发散。Sun等[17，18]在边界元方法中引入拉伸坐标系，对二维艏部外飘结构的入水过程进行研究，并考虑自由液面的非线性、自由边界和液面分离的影响。除此之外，对斜向匀速入水的圆锥体及船型结构横倾入水进行分析，入水过程仅考虑垂向自由度的影响，分析结构物一侧为自由液面，另一侧为细薄射流的情况。Wang等[19，20]对自由表面边界采用动态网格重构方法，分析不同质量的楔形体在1 卢炽华等[21]采用边界元法分析船艏外飘和U型船体剖面的砰击载荷问题，基于非线性边界条件计算自由液面的大变形，对其单元采用线性化假设。相较于U型船体剖面，外飘结构更容易在砰击载荷作用下发生破坏，不同剖面形式入水过程的砰击压力分布情况也具有较大差异。Wu等[22]通过引入求解速度势时间差分的函数，对自由液面处理采用混合欧拉-拉格朗日(mixed Euler-Lagrangian，MEL)法，分析二维自由落体结构的砰击压力。
2.有限元法
结构物入水砰击过程涉及自由液面大变形问题，FEM需要对自由液面进行精细处理，流体域与结构域在边界处网格的速度和位移需一致，可通过任意拉格朗日-欧拉(arbitrary Lagrangian-Eulerian，ALE)流固耦合算法在提高接触面搜索精度的同时解决欧拉单元畸变的问题。但是，ALE流固耦合算法中的控制方程仍存在对流项，对网格精细程度和计算时间步等要求较高，同时在流固耦合界面处存在网格重合或节点共享的情况，因此易引发耦合面处的网格畸变问题。频繁的对网格重构也限制了ALE流固耦合算法的应用。此外，也需合理选择流固耦合关键系数，避免液体渗漏现象的同时避免结构过度刚化，以及数值结果出现高频振荡等问题。
Stenius等[23]采用显示有限元Ls-dyna软件，引入基于罚函数的接触算子，讨论网格尺寸、耦合系数，以及边界条件的影响规律。Aquelet等[24]考虑阻尼的影响，将具有阻尼效应的欧拉-拉格朗日耦合算子应用于二维刚体结构砰击问题。陈震等[25，26]运用数值仿真和试验相结合的手段提出平板结构入水砰击压力的预报方法，并且对不同入水角的楔形体、球鼻艏型船、U型剖面船型分别开展水砰击数值仿真研究。曹正林[27]采用Ls-dyna的ALE流固耦合算法对三体船及连接桥的砰击压力峰值及分布、流场压力、速度、自由液面变化等情况进行探究。除此之外，也分析了空气垫、入水结构质量、入水攻角，以及连接桥宽度等因素对砰击压力峰值的影响规律。彭晟[28]采用DYTRAN对某三体舰的砰击载荷和结构响应做了预报，得到包括主体、片体和连接桥湿甲板处的砰击压力峰值和物面分布特性。
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