CN111666633B - 一种气垫船三维围裙响应度计算方法 - Google Patents

一种气垫船三维围裙响应度计算方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种气垫船围裙气垫系统响应度的计算方法。气垫船在航行过程中水面升高或船体下降导致气垫高度变化Δhc，首先假设围裙变形为Δhs0，根据风机特性曲线和风机‑风道‑大囊‑气垫流量连续性方程求解气垫压力Pc和囊压Pb；然后对围裙变形进行计算，得到实际的围裙变形Δhs；上述过程经过多轮迭代直至满足标准，最后得到的Δhs/Δhc可作为衡量气垫船围裙响应度的标准。在气垫船围裙设计过程中，响应度的计算可以指导围裙设计以提升气垫船总体性能。本发明通过提出一种气垫船围裙气垫系统响应度的数值计算方法，能够在设计围裙的过程中指导围裙设计，对于提升气垫船总体性能具有很大的工程实用价值。

Description

一种气垫船三维围裙响应度计算方法
技术领域
本发明涉及一种气垫船围裙气垫系统响应度计算方法，尤其是基于气垫动力学和围裙动力学的三维围裙响应度计算方法。
背景技术
气垫船是一种借助垫升风机向围裙充气形成气垫支撑船体脱离水面而具备两栖特性的高性能船舶，由于具有航速高、水陆两栖性、水下物理场小等优点，气垫船广泛用于抢滩登陆、救援、边境巡逻、扫雷、物资人员运输等领域。
由于风机-围裙-气垫系统的存在，气垫船运动特性受气动力、水动力、围裙柔性结构大变形及三者相互耦合作用等诸多因素影响，呈现高度非线性，与常规船运动特性存在较大区别，因此气垫船运动特性研究一直是气垫船研究的重点和难点。研究气垫船运动特性对于预报气垫船结构外载荷、运动响应参数等具有重要意义。
围裙是气垫船特有的设备，与气垫船的垫升性、稳性、适航性和安全性密切相关。围裙柔性结构随外界水、气动力大幅变形，影响气垫压力分布与气垫兴波波形，因此围裙动力学对气垫船运动特性影响显著。根据围裙在波浪中的变形能力，气垫船围裙可分为响应围裙和非响应围裙，根据国内公开文献，气垫船围裙响应度可由Δhs/Δhc进行表征，一般大于0.9为全响应围裙，0.5～0.9为中等响应围裙，小于0.5为低响应围裙。
但是，在目前公开文献中并未发现对三维围裙响应度的数值计算。因此，工程上迫切需要提出一种气垫船三维围裙响应度计算方法，从而能够根据总体性能需求，有效的指导围裙设计。
发明内容
本发明的目的是：实现对气垫船三维围裙的响应性能的定量分析，从而指导围裙设计。
为了达到上述目的，本发明的技术方案是提供了一种气垫船三维围裙响应度计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、获得气垫船在初始状态下的初始气垫特性参数，初始气垫特性参数至少包括初始垫压Pc0、初始囊压Pb0、初始飞高he0；
步骤2、生成围裙几何模型，并向围裙几何模型施加步骤1获得的初始垫压Pc0和初始囊压Pb0，获得设计状态下的围裙几何成型；
步骤3、当由于水面上升或船体下降导致气垫高度变化Δhc时时，首先假设围裙不变形，此时可得到：假定裙高变化Δhs0＝0、泄流高度变化Δhe、变化后的泄流高度he；
步骤4、根据步骤3获得的泄流高度he得到扰动下的垫压Pc和囊压Pb；
步骤5、基于步骤4获得的扰动下的垫压Pc和囊压Pb获得围裙变形后的裙高hs，进而获得实际裙高变化Δhs，依据实际裙高变化Δhs、假定裙高变化Δhs0及气垫高度变化Δhc制定收敛标准，根据收敛标准判断迭代是否收敛，若不满足，则假定裙高变化Δhs0更新为Δhs0＝Δhs0+Kh后返回步骤4，式中，K为迭代步，h为给定迭代间隙，可根据收敛性进行选择，若根据收敛标准判断迭代收敛，则获得稳定状态下当气垫高度变化Δhc时的裙高变化Δhs，由此可计算得到气垫船围裙响应度的定量表征Δhs/Δhc。
优选地，步骤1中，根据气垫船气垫几何参数和风机特性参数，基于风机特性曲线方程和风机-风道-大囊-气垫流量连续性方程得到所述气垫特性参数。
优选地，步骤2中，通过CATIA二次开发参数化建模生成所述围裙几何模型。
优选地，步骤2中，基于Abaqus二次开发建立有限元模型向所述围裙几何模型施加所述初始垫压Pc0和所述初始囊压Pb0。
优选地，步骤2包括以下步骤：
步骤201、在围裙动力学模块中，通过调用CATIA二次开发模块根据设计参数进行围裙几何结构参数化建模；
步骤202、将几何模型导入Abaqus中基于Python二次开发实现参数化有限元模型建模，并施加初始垫压Pc0和初始囊压Pb0，生成有限元计算文件；
步骤203、调用Abaqus结构求解器进行求解，通过采用Python的二次开发实现有限元结果文件进行数据分析，输出分析后的结果文件至气垫-围裙交互平台，可供气垫动力学模块进行调用。
优选地，所述气垫-围裙交互平台以Matlab编程为平台，通过调用气垫动力学模块和围裙动力学模块进行信息交换，其中：
在气垫动力学模块中，根据气垫船气垫几何参数和风机特性参数基于风机特性曲线方程和风机-气道-大囊-气垫流量连续性方程得到气垫船在初始状态下的初始气垫特性参数，初始气垫特性参数至少包括初始垫压Pc0、初始囊压Pb0、初始飞高he0，将初始气垫特性参数输出至气垫-围裙交互平台，可供围裙动力学模块进行调用。
优选地，步骤4中，基于风机特性曲线方程和风机-风道-大囊-气垫流量连续性方程获得所述扰动下的垫压Pc和囊压Pb。
优选地，步骤5中，通过Abaqus有限元计算获得所述裙高hs。
优选地，步骤5中，对结果文件基于Python二次开发获得所述实际裙高变化Δhs。
优选地，步骤5中，收敛标准为|Δhs-Δhs0|≤1％·Δhc。
在上述气垫船围裙的响应度计求解过程中，主要涉及气垫动力学和围裙动力学两个模块，气垫动力学主要是求解气垫船围裙气垫系统的气垫特性，而围裙动力学主要是获得围裙在给定边界条件、垫压和囊压作用下的成变形；两者需要互相交换信息，因此迫切需要建立一个围裙-气垫交互信息平台。
围裙-气垫交互信息平台主要以Matlab编程为平台，通过调用气垫动力学模块获得气垫压力和气囊压力等气垫参数；并将其传递给围裙动力学模块；通过调用CATIA二次开发模块进行三维围裙几何结构参数化建模，将几何模型导入Abaqus中基于Python语言二次开发建立参数化有限元模型，并施加气垫压力和气囊压力，生成有限元计算文件；然后调用Abaqus结构求解器进行求解，通过采用Python的二次开发实现结果文件进行数据分析。
本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：气垫船围裙气垫系统的响应度对于气垫船总体性能影响很大，提高响应度能够有效的改善快速性和适航性，不同于只能对二维围裙剖面的响应度作简化计算的现有技术，本发明提出的气垫船围裙系统响应度计算方法基于气垫动力学、围裙动力学及两者之间的耦合作用平台，既能计算典型围裙分段的响应度，也能够定量的计算整套围裙系统的响应度，对于指导气垫船围裙设计具有指导作用。
附图说明
图1是气垫船围裙响应度数值计算流程图。
图2是气垫船围裙响应度计算程序实现框架图。
图3是气垫船典型单囊指围裙分段示意图。
图4是气垫船典型单囊指围裙分段有限元模型图。
图5是气垫船围裙响应度计算迭代过程中假设围裙变形与实际变形图。
图6是气垫船围裙气垫系统风机特性曲线与流道特性曲线图。
图7是气垫船围裙实施例1的响应度曲线。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
结合图1，本发明提供的一种气垫船三维围裙响应度计算方法包括以下步骤：
步骤1、根据设计状态下气垫船气垫几何参数和风机特性参数基于风机特性曲线方程和风机-气道-大囊-气垫流量连续性方程得到气垫船在初始状态下的气垫特性参数，如初始垫压Pc0、初始囊压Pb0、初始飞高he0等。
步骤2、通过CATIA二次开发参数化建模生成围裙几何模型，并基于Abaqus二次开发建立有限元模型，围裙采用薄膜单元进行表征，并施加步骤1获得的初始垫压Pc0和初始囊压Pb0，确定设计状态下的围裙几何成型，基于Python语言二次开发对有限元计算结果进行数据分析，可获得气垫船初始裙高hs0。
步骤3、当由于水面上升或船体下降导致气垫高度变化Δhc时，首先假设围裙不变形，即假定裙高变化Δhs0＝0，此时可得到泄流高度变化Δhe及变化后的泄流高度he；
步骤4、根据步骤3得到的泄流高度he，基于风机特性曲线方程和风机-风道-大囊-气垫流量连续性方程得到扰动下的垫压Pc和囊压Pb。
步骤5、基于步骤4获得的扰动下的垫压Pc和囊压Pb，通过Abaqus有限元计算获得围裙变形后的裙高hs，对结果文件基于Python二次开发获得实际裙高变化Δhs。根据收敛标准|Δhs-Δhs0|≤1％·Δhc判断迭代是否收敛，若不满足，则假定裙高变化Δhs0＝Δhs0+Kh，K为迭代步，h为给定迭代间隙，可根据收敛性进行选择。
步骤6、重复步骤4与步骤5，直至满足收敛准则，获得稳定状态下当气垫高度变化Δhc时的裙高变化Δhs，由此可计算得到气垫船围裙响应度的定量表征Δhs/Δhc。
结合图2，气垫船围裙响应度的计算程序框架流程如下所述：
围裙-气垫交互信息平台主要以Matlab编程为平台，通过调用气垫动力学模块和围裙动力学模块进行信息交换。
在气垫动力学模块中，根据气垫船气垫几何参数和风机特性参数基于风机特性曲线方程和风机-气道-大囊-气垫流量连续性方程得到气垫船在初始状态下的气垫特性参数，如初始垫压Pc0、初始囊压Pb0、初始飞高he0等，将相关参数输出至气垫-围裙交互平台，可供围裙动力学模块进行调用。
在围裙动力学模块中，通过调用CATIA二次开发模块根据设计参数进行围裙几何结构参数化建模(stp格式几何模型文件)；将几何模型导入Abaqus中基于Python二次开发实现参数化有限元模型建模，并施加气垫压力和气囊压力，生成有限元计算文件(inp格式有限元计算文件)；然后调用Abaqus结构求解器进行求解，通过采用Python的二次开发实现有限元结果文件(odb格式结果文件)进行数据分析，输出分析后的结果文件(dat格式结果文件)至气垫-围裙交互平台，可供气垫动力学模块进行调用。
针对典型的单囊指围裙分段(结构型式如图3所示)，根据本办法建立了有限元模型(如图4所示)对其响应度进行了计算，并提取了迭代过程中的假定裙高变化Δhs0、实际裙高变化Δhs及其差值，将其随迭代步数的变化如表5所示。由图5可知，随着迭代的进行，假定裙高变化Δhs0逐渐靠近实际裙高变化Δhs，直至|Δhs-Δhs0|≤1％·Δhc，表明最终达到了收敛平衡状态。
在迭代过程中，气垫系统的风机特性曲线和气垫阻力特性曲线如图6所示，横坐标为无因次流量，纵坐标为无因次压力，风机特性曲线和气道阻力特性曲线的交点即气垫系统的工作点，工作点的变化反映出围裙系统对气垫系统的耦合影响；当气垫高度发生变化时，若围裙不变形，则风机特性曲线与流道特性曲线的交点，即新的工作点，将偏离原工作点较远，必然引起气垫系统的不稳定性；随着迭代的进行，新的工作点逐渐接近原工作点，直至最终与原工作点差别不大；新旧工作点差异的大小也反映了围裙响应度的影响，响应度越大，外界干扰对气垫系统工作点的变化越小；这也能够表明围裙响应度对于改善气垫系统稳定性和提高适航性起到了非常重要的作用。
图7为该围裙裙高变形随着气垫高度变化的曲线，斜率代表Δhs/Δhc，通过此图可知响应度为0.95，属于高响应度围裙。

Claims (10)

1.一种气垫船三维围裙响应度计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、获得气垫船在初始状态下的初始气垫特性参数，初始气垫特性参数至少包括初始垫压Pc0、初始囊压Pb0、初始飞高he0；
步骤2、生成围裙几何模型，并向围裙几何模型施加步骤1获得的初始垫压Pc0和初始囊压Pb0，获得设计状态下的围裙几何成型；
步骤3、当由于水面上升或船体下降导致气垫高度变化Δhc时时，首先假设围裙不变形，此时可得到：假定裙高变化Δhs0＝0、泄流高度变化Δhe、变化后的泄流高度he；
步骤4、根据步骤3获得的泄流高度he得到扰动下的垫压Pc和囊压Pb；
步骤5、基于步骤4获得的扰动下的垫压Pc和囊压Pb获得围裙变形后的裙高hs，进而获得实际裙高变化Δhs，依据实际裙高变化Δhs、假定裙高变化Δhs0及气垫高度变化Δhc制定收敛标准，根据收敛标准判断迭代是否收敛，若不满足，则假定裙高变化Δhs0更新为Δhs0＝Δhs0+Kh后返回步骤4，式中，K为迭代步，h为给定迭代间隙，可根据收敛性进行选择，若根据收敛标准判断迭代收敛，则获得稳定状态下当气垫高度变化Δhc时的裙高变化Δhs，由此可计算得到气垫船围裙响应度的定量表征Δhs/Δhc。
2.如权利要求1所述的一种气垫船三维围裙响应度计算方法，其特征在于，步骤1中，根据气垫船气垫几何参数和风机特性参数，基于风机特性曲线方程和风机-风道-大囊-气垫流量连续性方程得到所述气垫特性参数。
3.如权利要求1所述的一种气垫船三维围裙响应度计算方法，其特征在于，步骤2中，通过CATIA二次开发参数化建模生成所述围裙几何模型。
4.如权利要求3所述的一种气垫船三维围裙响应度计算方法，其特征在于，步骤2中，基于Abaqus二次开发建立有限元模型向所述围裙几何模型施加所述初始垫压Pc0和所述初始囊压Pb0。
5.如权利要求4所述的一种气垫船三维围裙响应度计算方法，其特征在于，步骤2包括以下步骤：
步骤201、在围裙动力学模块中，通过调用CATIA二次开发模块根据设计参数进行围裙几何结构参数化建模；
步骤202、将几何模型导入Abaqus中基于Python二次开发实现参数化有限元模型建模，并施加初始垫压Pc0和初始囊压Pb0，生成有限元计算文件；
步骤203、调用Abaqus结构求解器进行求解，通过采用Python的二次开发实现有限元结果文件进行数据分析，输出分析后的结果文件至气垫-围裙交互平台，可供气垫动力学模块进行调用。
6.如权利要求5所述的一种气垫船三维围裙响应度计算方法，其特征在于，所述气垫-围裙交互平台以Matlab编程为平台，通过调用气垫动力学模块和围裙动力学模块进行信息交换，其中：
在气垫动力学模块中，根据气垫船气垫几何参数和风机特性参数基于风机特性曲线方程和风机-气道-大囊-气垫流量连续性方程得到气垫船在初始状态下的初始气垫特性参数，初始气垫特性参数至少包括初始垫压Pc0、初始囊压Pb0、初始飞高he0，将初始气垫特性参数输出至气垫-围裙交互平台，可供围裙动力学模块进行调用。
7.如权利要求1所述的一种气垫船三维围裙响应度计算方法，其特征在于，步骤4中，基于风机特性曲线方程和风机-风道-大囊-气垫流量连续性方程获得所述扰动下的垫压Pc和囊压Pb。
8.如权利要求1所述的一种气垫船三维围裙响应度计算方法，其特征在于，步骤5中，通过Abaqus有限元计算获得所述裙高hs。
9.如权利要求1所述的一种气垫船三维围裙响应度计算方法，其特征在于，步骤5中，对结果文件基于Python二次开发获得所述实际裙高变化Δhs。
10.如权利要求1所述的一种气垫船三维围裙响应度计算方法，其特征在于，步骤5中，收敛标准为|Δhs-Δhs0|≤1％·Δhc。
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