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《船舶力学》2025-08期|摘要速览
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流体力学
01
空化两相可压缩流动体积分数控制方程
洪方文，袁国辉，翟树成，郑巢生
摘要：体积分数方程是空化流动的一个重要控制方程，在不可压缩情况下由质量守恒方程导出，但对于可压缩流体，目前还没有一个得到普遍认可的描述形式。本文以随体坐标系为描述问题的参考系，针对局部流体单元，从两相流体各自的体积变化入手，推导出体积分数的随体导数与两相流体局部平均速度散度的关系。本文还讨论了体积分数方程与质量守恒方程的关系，以及相变和可压缩性对体积分数演化的影响，并给出了两相压力平衡情况下体积分数方程的形式。
关键词：体积分数；两相可压缩流体；空化；控制方程
doi: 10.3969/j.issn.1007-7294.2025.08.001
2
聚焦波作用下平板–方柱结构波浪砰击压力与冲量实验研究
张念凡，刘明月，肖龙飞，郭英豪，陈 刚
摘要：为探究极端波浪的砰击作用，基于波浪水槽物理模型实验，本文重点研究了具有不同破碎程度的聚焦波对平板–方柱结构产生的波浪砰击压力与冲量特性。采用小波降噪、经验模态分解与局部加权线性回归等方法对实验数据进行处理，获得了方柱不同位置处的波浪砰击压力，探究了波浪压力的时空分布特征。基于波浪砰击压力的时间积分，分析了结构典型部位处砰击压力冲量的时变特性。此外，详细讨论了波浪破碎程度、初始气隙及纵倾角对砰击压力冲量空间变化的影响。研究表明，聚焦波产生的最大砰击压力冲量受波浪破碎程度、初始气隙及纵倾角的影响显著，波峰翻卷乃至提前破碎的波浪通常会产生较大的砰击压力冲量。同时，具有较小初始气隙和正纵倾角的平板–方柱结构受到的砰击压力冲量更大。本研究为深入探讨极端波浪对半潜式平台的波浪砰击作用提供了有价值的参考。
关键词：砰击压力；压力冲量；空间变化；模型实验；聚焦波；波浪破碎
doi: 10.3969/j.issn.1007-7294.2025.08.002
03
集装箱船线性波激振动特性的模型试验和数值仿真研究
屈毫拓，陆 晔，倪歆韵，汤明刚，郑 坤，等
摘要：波激振动和颤振对集装箱船的结构强度和疲劳寿命具有不可忽视的影响，一直是研究者关注的重点和焦点，其中线性波激振动是更为独特的流固耦合现象。本文以一艘20 000 TEU集装箱船1∶49的缩比模型为研究对象，采用模型试验和数值计算相结合的方法，对其在波浪中发生线性波激振动状态下的运动和结构响应进行研究。在波浪水池中测得模型的运动和剖面弯矩，通过计及流体黏性的CFD和结构动力学（CSD）双向耦合来实现数值计算，将计算结果与试验数据进行对比，验证了该耦合方法的有效性。对线性波激振动状态下的船体运动和结构响应进行分析，发现波激振动对船舶运动的影响不大，但会显著增强结构剖面载荷，弹性共振会导致结构响应集中表现为两节点振动。基于刚体获得的结构剖面载荷远小于试验和弹性体的结果，因此在船舶强度和疲劳性能评估中，需要考虑船体与周围流场的动态弹性耦合现象。
关键词：流固耦合；集装箱船；模型试验；船舶水弹性；线性波激振动
doi: 10.3969/j.issn.1007-7294.2025.08.003
04
随机风–浪联合传播相干性数值研究
韦承勋，张志豪，余松泽，王文静，李盛辉
摘要：随机风、浪环境要素存在较强相干性，该相干性影响随机风–浪联合传播过程中脉动风速与波浪的同步性和强度，进而影响海上结构受随机风–浪联合作用的准确计算。为此，基于随机波浪和脉动风场CFD数值模拟方法，建立随机风–浪联合传播数值水槽，开展一系列脉动风和随机波浪联合传播的数值模拟计算，基于数值结果分析探究风速位置高度、波浪有效波高、波浪谱峰频率和基本风速等因素对风、浪之间相干效应的影响特性及影响规律。依据这些因素的影响特性，研究提出联合传播过程中随机风–浪相干值计算函数，并依据各类影响因素变化条件下的系列数值结果拟合确定相干函数表达式中的各项参数，建立描述随机风–浪联合传播相干性计算函数公式。
关键词：脉动风；随机波浪；风–浪联合；数值水槽；风–浪相干性；相干函数
doi: 10.3969/j.issn.1007-7294.2025.08.004
05
压浪板对螺旋桨空化及激励力特性影响数值研究
宋科委，孙 聪，葛珅玮，钟祥海
摘要：以DTMB5415基准船模为研究对象，进行了安装压浪板前后的船舶在空泡流中的数值仿真，考虑了船舶航速、螺旋桨转速以及船体伴流等因素的影响。结果表明：受螺旋桨进流改变以及转速降低的双重影响，压浪板安装后的螺旋桨表面空泡面积与空化起止角度均增大；当Fr=0.28时，压浪板安装后的螺旋桨激励力/力矩的叶频幅值平均降低9%，受螺旋桨空化的负面影响，Fr=0.413时对应的降低量仅为2.5%；船舶表面脉动压力主要受压浪板安装后螺旋桨转速降低的影响，低航速和高航速下的叶频幅值平均降低量分别为17%和12%。
关键词：压浪板；自航；空化；激励力；脉动压力
doi: 10.3969/j.issn.1007-7294.2025.08.005
06
基于改进PRM算法和事件触发机制的无人船动态避碰轨迹规划
王子铭，陈顺怀，郑 龙
摘要：无人船的轨迹规划是无人船自主航行的重要环节。本文基于改进PRM算法和事件触发机制提出一种无人船动态避碰的轨迹规划方法。首先，将PRM和A*结合得到PRM–A*算法，并基于PRM–A*算法建立无人船轨迹规划模型。根据当前时刻的环境态势建立栅格地图，通过PRM–A*算法规划无人船的避碰路径，并建立该避碰路径的S–T栅格图。通过PRM–A*算法对S–T栅格图规划无人船航速，从而得到当前时刻的无人船避碰轨迹。其次，基于事件触发机制建立无人船的动态避碰模型。根据无人船的TCPA和DCPA建立无人船碰撞危险度评估模型，并以此为基础设置事件触发条件；事件触发后，根据当前时间窗的环境态势规划无人船避碰轨迹。最后，分别进行开阔水域和限制水域的无人船轨迹规划仿真试验。结果显示，本算法可使无人船能有效地避开局部水域中静态障碍物和移动障碍物，并节省计算资源，提升计算性能。
关键词：无人船；轨迹规划；PRM–A*算法；事件触发机制；TCPA；DCPA
doi: 10.3969/j.issn.1007-7294.2025.08.006
结构力学
07
基于蒙特卡罗法的极地船舶冰载荷概率特性研究
董海波，冯士超，刘俊杰，夏劲松
摘要：考虑极地船舶与海冰作用过程中的不确定性因素，开展冰载荷的概率特性研究。通过将冰载荷估算公式和统计特性分析方法相结合，给出一种基于蒙特卡罗法的极地船舶冰载荷概率特性研究方法。针对典型海域和航线，分别考虑船舯、船艏与海冰作用的场景，在研究相关变量概率分布类型和统计参数基础上，采用本文方法计算不同位置的冰载荷，获得对应的概率密度函数。研究表明，舯部的冰作用力可使用正态分布来描述其概率特性；艏部的水平冰作用力和垂直冰作用力均可使用威布尔分布来描述其概率特性；海冰压溃破坏时，船舶受到的水平冰作用力远大于其弯曲破坏时对应的冰作用力。研究结果可为船舶结构安全性评估提供更为精确的输入载荷。
关键词：冰载荷概率特性；蒙特卡罗法；概率密度函数；概率图纸；极大似然估计
doi: 10.3969/j.issn.1007-7294.2025.08.007
08
风暴模型载荷下疲劳裂纹扩展模型研究
蒋怡然，乐京霞，刘洪瑞
摘要：风暴模型是一种用于描述船体结构在复杂海洋环境中所承受的随机波浪载荷的简化模型。为了考虑风暴模型载荷顺序及其相互作用的影响，本文基于Newman模型，结合Huang模型及改进后的McEvily模型中考虑载荷相互作用效应的思路，在有效应力强度因子幅中引入超载系数，用以表征过载所导致的迟滞及过载–欠载后的加速现象，提出了一种改进后的Newman模型——NPhi模型。编写裂纹扩展模型程序，使用多级块载及风暴模型试验结果对裂纹扩展模型进行正确性验证并研究了超载系数的影响。根据国际船舶与海洋工程结构大会（ISSC）疲劳与断裂技术委员会的共同研究，通过与试验结果对比，发现NPhi模型相比其他典型裂纹扩展模型具有更好的预报能力，此外，合理的迟滞指数取值对预报结果是十分重要的。
关键词：风暴模型；裂纹扩展模型；载荷相互作用效应；超载系数
doi: 10.3969/j.issn.1007-7294.2025.08.008
09
水压条件下黏弹性材料动态力学参数的宽带测试与分析
刘 哲，张子璇，张 杰，侯 宏
摘要：结合共振法与基于直达波提取的波速法，实现水中加压条件下黏弹性材料连续宽频范围的动态力学参数测试。搭建可实现水下加压的压力舱测试系统，以短时宽带脉冲作为测试激励信号，利用激光测振仪采集细棒激振端与自由端的纵向振动速度信号。一方面以共振法计算共振频率处的力学参数，另一方面提取直达波信号，以波速法计算宽频范围的力学参数，二者测试结果吻合良好，验证了本方法的有效性。本文测试方法适用于水下加压条件，有效测试频带范围宽，测试效率高。
关键词：水下加压；动态力学参数测试；直达波提取；共振法
doi: 10.3969/j.issn.1007-7294.2025.08.009
10
基于高阶多项式拟合的裂纹最深点处应力强度因子的计算方法研究
汪志福，范志超，秦宗川，牛 铮，范海俊，等
摘要：为了准确地计算出高压容器裂纹扩展过程中最深点处的应力强度因子，本文提出了将应力数据进行高阶多项式拟合，进而计算应力强度因子的方法。文中以高压容器开孔处裂纹为例，基于不同采集数据量下的应力数据，使用不同次数的多项式拟合，计算了各个裂纹深度下的最深点处应力强度因子，分析了多项式次数及采集数据量对计算结果的影响，对比验证了本方法与文献中线性插值方法的计算结果。对比研究结果表明，随着多项式次数的增加，拟合曲线的表征精度越高，计算结果逐渐逼近并趋于稳定，低阶（三次）与高阶多项式拟合的计算结果相对误差呈现出“倒S”型趋势，最小相对误差约为-20%；随着数据量的增加，计算结果逐渐收敛，较低与较高数据量下的计算结果相对误差呈现出震荡衰减的趋势，最大相对误差约为7.1%；基于高阶多项式拟合与分段线性插值的计算结果基本重合，表明本方法具有一定的可靠性，并适用于裂纹扩展过程中最深点处应力强度因子的计算。
关键词：高阶多项式拟合；高压容器；裂纹最深点处；应力强度因子；计算方法
doi: 10.3969/j.issn.1007-7294.2025.08.010
11
基于电磁感应加热的船用中厚板对接接头变形背烧矫正机理研究
张庆亚，吴百公，王秋平，王兴宇，张珍睿，等
摘要：船用中厚板因焊接产生的较大变形严重影响结构平整度。本文采用CO2气体保护焊制备14 mm厚AH36钢对接接头，通过自主研制的电磁感应加热背烧装备来矫正对接接头的面外变形，测试并分析AH36对接接头及其背烧后的微观组织、力学性能、横向残余应力及面外变形。构建焊接–背烧有限元分析方法，预测AH36钢对接焊及接头背烧过程中的热传导及力学响应；基于变形理论，计算AH36对接焊及接头背烧后的横向弯矩。结果表明：AH36钢母材及其背烧后的微观组织均以渗碳体为主，背烧后晶粒尺寸略微增大；背烧后的AH36抗拉强度及室温冲击值与母材基本一致，且母材及其背烧后均未发生弯曲断裂；背烧对AH36对接接头的横向残余应力分布趋势几乎无影响，拉应力极值略微增大；背烧使得对接接头的背部近表面区产生较大的横向压缩塑性应变，并通过横向弯矩矫正面外变形。
关键词：中厚板；焊接变形；感应加热；数值模拟
doi: 10.3969/j.issn.1007-7294.2025.08.011
流体与结构声学
12
有限水域中运动声源全息反演方法研究
张小正，庞业珍，毕传兴，张凤敏，沈 洋，等
摘要：采用声全息技术开展有限水域中运动声源识别及其声场预测，对于研究水下航行器的声源特性和声辐射特性具有重要意义。然而，运动声源辐射声压的获取和有限水域界面效应的影响给声全息技术在有限水域中的应用带来了困难。本文考虑声源运动，采用线阵测量并基于移动框架技术来获取运动声源辐射的全息面声压数据；考虑有限水域界面效应的影响，在三种不同界面情况下，基于等效源法思想分别构建了三种全息反演模型。以有限水域中的圆柱壳体为对象开展了数值仿真，结果表明，三种反演方法相较于未考虑界面反射的自由场反演方法可以获得更好的声源识别和声场预测效果。在湖中开展了运动标准声源试验，试验结果表明，所建方法可以实现声源的有效定位和声场的精确预测。
关键词：声全息；有限水域；运动声源；等效源法
doi: 10.3969/j.issn.1007-7294.2025.08.012
13
弹性边界条件下矩形薄板流激振动分析
张 成，李天匀，朱 翔，尚保佑
摘要：本文采用半解析法开展弹性边界下矩形加筋板在湍流脉动压力激励下的振动研究。引入人工线分布弹簧模拟弹性边界，基于能量原理求解矩形薄板流激受迫振动响应，获得平板表面振动速度的自功率谱密度函数。研究表明：人工弹簧刚度对平板流激振动响应有影响；随着边界位移弹簧刚度增大，低频下平板均方振速响应值不断减小；当边界线分布位移弹簧刚度大于1010 N/m2时，边界对平板流激振动响应的影响较小。讨论了加筋方向和加筋数量对于平板流激振动响应的影响，与无筋平板相比，加筋平板能有效降低平板流激低频振动响应。研究结果可为分析不同边界约束下矩形加筋板流激振动性能提供理论参考。
关键词：湍流脉动压力；平板振动；弹性边界；声振耦合
doi: 10.3969/j.issn.1007-7294.2025.08.013
14
基于Ritz–Legendre谱方法的锥柱球组合结构水下振动分析方法
张 帅，周福昌，李 佩，王志朋
摘要：针对组合壳结构的振动问题不易获得解析解，同时求解其强耦合声振控制方程难度较大的现状，本文提出一种Ritz–Legendre谱方法研究水下锥–柱–球组合壳的振动特性。基于Reissner壳体理论、虚拟弹簧技术以及相邻子壳的位移与转角协调关系，建立锥–柱–球组合壳的理论模型。引入Legendre–Gauss谱单元避免法向导数不连续的问题，离散Kirchhoff–Helmholtz边界积分方程，构建水下外声场理论模型。由傅里叶转换和耦合表面欧拉方程，得到水下组合壳的耦合振动控制方程。与FEM仿真结果的对比分析,验证了本文方法的收敛性、可靠性和正确性。该方法可为工程应用设计阶段提供理论参考。
关键词：锥–柱–球壳；Ritz–Legendre谱方法；自由振动；受迫振动；半解析法
doi: 10.3969/j.issn.1007-7294.2025.08.014
研究综述
15
水下阵列方位估计技术发展综述
马 超，刘 磊，刘 凯，陈奕宏，李志超
摘要：水下阵列方位估计在军事、海洋资源开发及环境监测等领域具有广泛应用，是阵列信号处理中的关键技术。本文综述了当前水下阵列方位估计方法的发展现状，首先介绍了基于均匀分布声压线阵的声学数学模型，随后对方位估计方法进行了分类，涵盖了经典波束形成方法、统计类方法、子空间类方法以及基于人工智能的到达方向（DOA）估计方法。分析了影响方位估计精度的关键因素，包括阵列校准误差、阵列几何结构、信号处理技术及水声信道特性等。最后，总结了当前方位估计技术的局限性，并提出了未来的研究方向，包括多模态数据融合、深度学习与物理模型结合、新型阵列结构等，以期提升水下方位估计的精度和鲁棒性。
关键词：水下方位估计；阵列信号处理；波束形成
doi: 10.3969/j.issn.1007-7294.2025.08.015
END
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