CN113705121B - 一种基于运动参数的二维结构物入水砰击力分解和计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于运动参数的二维结构物入水砰击力分解和计算方法。包括绘制二维物体模型，将绘制的二维物体模型输入到软件中，分别控制物体做高速度的匀速运动、高初速度的匀变速运动以及考虑重力影响下的低速度匀速运动，在以上每一运动状态下模拟物体从刚接触水面至完全没入自由液面以下的垂向入水过程，计算并提取相应的系数。之后基于上述系数和任意时刻物体的浸没深度、速度、加速度，计算其受到的垂向或水平砰击力。本发明方法考虑了流体重力对于砰击力的影响，因此适用于计算物体在低速度入水下的砰击力预测。当物体形状确定，本发明方法在预测砰击力时，仅与物体此刻的运动状态有关，而与物体的入水初始或者上一时刻的运动状态无关。

Description

一种基于运动参数的二维结构物入水砰击力分解和计算方法

技术领域

本发明涉及流体动力学技术领域，尤其涉及一种基于运动参数的二维结构物入水砰击力分解和计算方法。

背景技术

砰击(slamming)是船舶在恶劣的海况中航行时，由于剧烈的刚体运动，所发生的波浪与船体的冲击现象。船舶水动力砰击可以分为四大类：艏底砰击，波浪拍击，艏外飘冲击及甲板上浪。

如CN 110319962A等现有技术对于砰击力的计算，只适用于对二维物体入水过程中垂向砰击力的求解，无法计算水平砰击力，同时，现有的技术方法忽略了流体的重力，因此只适用于二维物体高速入水过程，在速度较低时(1m/s左右及以下)，现有的技术方法得到的结果会出现较大的误差。

发明内容

根据上述提出的技术问题，而提供一种基于运动参数的二维结构物入水砰击力分解和计算方法。本发明采用的技术手段如下：

一种基于运动参数的二维结构物入水砰击力分解和计算方法，包括如下步骤：

步骤1、绘制二维物体模型，将绘制的二维物体模型输入到CFD软件中，模拟物体从刚接触水面至完全没入自由液面以下的垂向入水过程，其中，使物体做预设高速度的匀速入水运动，在此过程中，关闭流体的重力；

步骤2、提取物体所受的垂向或水平砰击力F随浸没深度h的变化曲线，基于所述预设高速度的速度值获取第一个随浸没深度变化的系数F_v(h)；

步骤3、在CFD软件中，模拟物体从刚接触水面至完全没入自由液面以下的垂向入水过程，其中，使物体做预设高初速度的匀变速运动，在此过程中，关闭流体的重力；

步骤4、提取物体所受的垂向或水平砰击力F′随浸没深度h的变化曲线，在各个浸没深度下，基于步骤2中F_v(h)的值以及步骤3中物体的速度值和加速度值获取第二个随浸没深度变化的系数F_w(h)；

步骤5、在CFD软件中，打开流体的重力，模拟物体从刚接触水面至完全没入自由液面以下的垂向入水过程，其中，使物体做预设低速度的匀速入水运动；

步骤6、提取物体所受的垂向或水平砰击力F″随浸没深度h的变化曲线，在各个浸没深度下，基于步骤2中F_v(h)的值以及步骤5中物体的速度值获取第三个随浸没深度变化的系数F_g(h)；

步骤7、基于任意时刻物体的浸没深度、速度、加速度以及F_v(h)、F_w(h)、F_g(h)计算二维结构物入水砰击力。

进一步地，所述步骤2中，通过如下方式提取第一个随浸没深度变化的系数F_v(h)：

其中：ρ是流体的密度，v表示预设高速度的速度值；

所述步骤4中，通过如下方式提取第二个随浸没深度变化的系数F_w(h)：

其中，F_v是在步骤2中提取得到的系数在各个浸没深度下的值，v′是各个浸没深度下物体的速度值，a表示物体所做的匀变速运动的加速度值；

所述步骤6中，通过如下方式提取第三个随浸没深度变化的系数F_g(h)：

其中，F_v是在步骤2中提取得到的系数在各个浸没深度下的值，v″是预设低速度的速度值。

进一步地，所述步骤7中，对于该二维物体，入水过程中任意时刻，当提前知晓其浸没深度、速度、加速度时，其所受的垂向或水平砰击力可用下式计算：

f(H)＝ρV²F_v(H)+ρAF_a(H)+ρgF_g(H)

其中，f是受力值，H、V、A分别是此刻物体的浸没深度、速度、加速度，F_v、F_a、F_g分别是提取出来的仅与浸没深度相关的系数，ρ为流体的密度，g为重力加速度。

本发明具有以下优点：

1、二维物体垂向入水时，本发明方法不仅适用于规则物体的入水砰击力预测，对于不规则物体以及各种入水姿态的物体的入水砰击力预测也同样适用，且较为准确。

2、本发明方法不仅能够计算物体所受的垂向砰击力，也能够计算水平砰击力。

3、本发明方法考虑了流体重力对于砰击力的影响，因此适用于计算物体在低速度入水下的砰击力预测，这是以往同类型发明方法无法做到的。

4、当物体形状确定，本发明方法在预测砰击力时，仅与物体此刻的运动状态有关，而与物体的入水初始或者上一时刻的运动状态无关，适用性广。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明流程图。

图2为本发明实施例中构建的二维物体模型。

图3为本发明实施例中提取系数F_v(h)的示意图。

图4为本发明实施例中提取系数F_w(h)的示意图。

图5为本发明实施例中提取系数F_g(h)的示意图。

图6为本发明实施例与现有技术的比较图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明实施例公开了一种基于运动参数的二维结构物入水砰击力分解和计算方法，包括如下步骤：

步骤1、绘制二维物体模型，以下均用此模型，规定浸没深度h恒为正值，加速为正，减速为负。在CFD软件中，模拟物体从刚接触水面至完全没入自由液面以下的垂向入水过程，注意在模拟中关闭流体的重力，另外使物体做高速度的匀速入水运动(比如6m/s)。

步骤2、取浸没深度变化间隔Δh为一定值，提取物体所受的垂向(水平)砰击力F随浸没深度h的变化曲线，使用公式提取第一个随浸没深度变化的系数F_v(h)，其中ρ是水(或其他流体)的密度，v是步骤1的CFD模拟中，物体所做的匀速运动的速度值。

步骤3、在CFD软件中，模拟物体从刚接触水面至完全没入自由液面以下的垂向入水过程，注意在模拟中关闭流体的重力，另外使物体做高初速度的匀变速运动(比如6+9.8tm/s或6-9.8t m/s，其中t表示时间，刚接触水面时刻为0)，需要强调的是，如果模拟的是匀减速运动，整个过程中任意时刻加速度的绝对值不能远大于速度的绝对值。

步骤4、取浸没深度变化间隔Δh′为一定值，提取物体所受的垂向(水平)砰击力F′随浸没深度h的变化曲线，使用公式提取第二个随浸没深度变化的系数F_w(h)，其中v′是各个浸没深度下物体的速度，F_v是在步骤2提取得到的系数在各个浸没深度下的值，a表示步骤3的CFD模拟中，物体所做的匀变速运动的加速度值，加速为正，减速为负。

步骤5、在CFD软件中，打开流体的重力(一般等于重力加速度g(+9.8m/s²))，模拟物体从刚接触水面至完全没入自由液面以下的垂向入水过程，注意使物体做低速度的匀速入水运动(比如1m/s)。

步骤6、取浸没深度变化间隔Δh″为一定值，提取物体所受的垂向(水平)砰击力F″随浸没深度h的变化曲线，使用公式提取第三个随浸没深度变化的系数F_g(h)，其中v″是步骤5的CFD模拟中，物体所做的匀速运动的速度值，F_v是在步骤2提取得到的系数在各个浸没深度下的值。

步骤7、对于任意二维物体(包括对称、非对称物体)在任意入水姿态下，其在垂向入水过程中所受到的垂向砰击力或者水平砰击力随浸没深度的变化。不管物体在入水起始时刻或者前一时刻的运动状态是什么样，若已经当前时刻的物体的运动状态，包括浸没深度、速度、加速度，那么就能计算得到物体在此时刻的受力。计算公式如下：

f(H)＝ρV²F_v(H)+ρAF_a(H)+ρgF_g(H)

其中，f是受力值，H、V、A分别是此刻物体的浸没深度、速度、加速度，F_v、F_a、F_g分别提取出来的仅与浸没深度相关的系数(对于一特定形状物体，这三个系数各不相同但不随其他因素改变)，ρ为水(或其他流体)的密度，g为重力加速度。

本发明考虑了流体的重力对于物体所受砰击力的影响，这在物体低速入水(1m/s左右及以下)的过程中十分重要。本发明将物体所受的砰击力分解成为三个部分：速度部分、加速度部分和重力部分。每一部分的计算仅与当前物体的运动状态有关，而与入水起始或者上一时刻的运动状态无关。本方法适用于各类形状的二维物体的垂向入水过程，对于计算其在入水过程中所受的垂向砰击力和水平砰击力力都适用。

实施例1

本实施例中，创建如图2所示的二维物体的模型，具体为楔形体所示，楔形体的半宽为0.11m，底升角为25度。规定浸没深度恒为正值，加速为正，减速为负。

在CFD软件中，模拟物体从刚接触水面至完全没入自由液面以下的垂向入水过程，模拟中关闭了流体的重力，物体做匀速运动，速度为6m/s，总位移为0.06m。

取浸没深度变化间隔Δh为0.0002m，水的密度为1000kg/m³,提取物体所受的垂向砰击力F随浸没深度h的变化曲线，使用公式提取系数F_v(h)，如图3所示。

在CFD软件中，模拟物体从刚接触水面至完全没入自由液面以下的垂向入水过程，模拟中关闭流体的重力，物体做匀加速运动，速度为6+9.8t m/s(t为时间，物体刚接触水面是为0)，总位移为0.06m。

取浸没深度变化间隔Δh′为0.0002m，提取物体所受的垂向砰击力F′随浸没深度h的变化曲线，使用公式提取系数F_w(h)，如图4所示。

在CFD软件中，打开流体的重力，重力加速度取g(+9.8m/s²)，模拟物体从刚接触水面至完全没入自由液面以下的垂向入水过程，物体做匀速运动，速度为1m/s，总位移为0.06m。

取浸没深度变化间隔Δh″为0.0002m，提取物体所受的垂向砰击力F″随浸没深度h的变化曲线，使用公式提取系数F_g(h)，如图5所示。

综上，得到公式f(H)＝ρV²F_v(H)+ρAF_a(H)+ρgF_g(H)中各系数的值。

在CFD软件中，打开流体重力，使物体做如下的变加速运动

取浸没深度变化间隔ΔH为0.0002m，提取物体所受的垂向砰击力f随浸没深度H的变化曲线，与本发明方法的计算结果进行比较，同时与现有的技术进行比较，如图6所示。

从上图中可以看出，在低速入水情况下，本发明方法得到的计算结果能与CFD模拟结果有较好的匹配，而现有技术不考虑重力的计算方法得到的计算结果有明显的误差，因此本发明方法更完备。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (1)

1.一种基于运动参数的二维结构物入水砰击力分解和计算方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1、绘制二维物体模型，将绘制的二维物体模型输入到CFD软件中，模拟物体从刚接触水面至完全没入自由液面以下的垂向入水过程，其中，使物体做预设高速度的匀速入水运动，在此过程中，关闭流体的重力；

步骤2、提取物体所受的垂向或水平砰击力F随浸没深度h的变化曲线，基于所述预设高速度的速度值获取第一个随浸没深度变化的系数F_v(h)；

步骤3、在CFD软件中，模拟物体从刚接触水面至完全没入自由液面以下的垂向入水过程，其中，使物体做预设高初速度的匀变速运动，在此过程中，关闭流体的重力；

步骤4、提取物体所受的垂向或水平砰击力F′随浸没深度h的变化曲线，在各个浸没深度下，基于步骤2中F_v(h)的值以及步骤3中物体的速度值和加速度值获取第二个随浸没深度变化的系数F_w(h)；

步骤5、在CFD软件中，打开流体的重力，模拟物体从刚接触水面至完全没入自由液面以下的垂向入水过程，其中，使物体做预设低速度的匀速入水运动；

步骤6、提取物体所受的垂向或水平砰击力F″随浸没深度h的变化曲线，在各个浸没深度下，基于步骤2中F_v(h)的值以及步骤5中物体的速度值获取第三个随浸没深度变化的系数F_g(h)；

步骤7、基于任意时刻物体的浸没深度、速度、加速度以及F_v(h)、F_w(h)、F_g(h)计算二维结构物入水砰击力；

所述步骤2中，通过如下方式提取第一个随浸没深度变化的系数F_v(h)：

其中：ρ是流体的密度，v表示预设高速度的速度值；

所述步骤4中，通过如下方式提取第二个随浸没深度变化的系数F_w(h)：

其中，F_v是在步骤2中提取得到的系数在各个浸没深度下的值，v′是各个浸没深度下物体的速度值，a表示物体所做的匀变速运动的加速度值；

所述步骤6中，通过如下方式提取第三个随浸没深度变化的系数F_g(h)：

其中，F_v是在步骤2中提取得到的系数在各个浸没深度下的值，v″是预设低速度的速度值；

所述步骤7中，对于该二维物体，入水过程中任意时刻，当提前知晓其浸没深度、速度、加速度时，其所受的垂向或水平砰击力可用下式计算：

f(H)＝ρV²F_v(H)+ρAF_a(H)+ρgF_g(H)

其中，f是受力值，H、V、A分别是此刻物体的浸没深度、速度、加速度，F_v、F_a、F_g分别是提取出来的仅与浸没深度相关的系数，ρ为流体的密度，g为重力加速度。