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《船舶力学》2025-05期|摘要速览
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流体力学
01
碎冰区航行船舶破舱进水过程研究
李红霞，陈 晔，陈灵棋，黄 一
摘要：世界上首个浮动核电站“罗蒙诺索夫院士”号的建成，为高纬度地区能源供应提供了一种切实可行的解决方案。高纬度地区海面可能出现浮冰，浮动核电站若与浮冰发生碰撞，可能导致破舱进水，威胁作业安全。本文基于欧拉多相流模型并结合离散元理论，提出一种碎冰区船舶破舱进水数值仿真方法。采用该方法对破舱进水过程及碎冰区航行阻力进行数值模拟，对比数值模拟与模型试验结果，验证了该方法的准确性。以自主设计的某船型核电平台为例，考虑碎冰分布的随机性，采用上述方法模拟了浮式核电平台在碎冰区的破舱进水过程，分析了流入舱内的碎冰对进水过程的影响和作用在船体结构上的冲击载荷。研究结论可为冰区船舶破舱进水过程的研究提供参考。
关键词： 破舱进水；碎冰；离散元方法；计算流体动力学
doi: 10.3969/j.issn.1007-7294.2025.05.001
02
规则波中船舶斜航运动水动力预报研究
韩 阳，师 超，顾 民，邱耿耀，李壮壮
摘要：目前基于船舶操纵运动数学模型开展波浪中船舶操纵运动预报研究，操纵运动水动力系数多采用静水中试验或数值预报结果，未反映波浪对操纵运动水动力的影响，因此建立波浪中船舶操纵运动水动力预报方法是准确预报波浪中船舶操纵运动的重要基础。本文采用基于重叠网格方法对船舶在波浪中多自由度运动进行数值建模，给出波浪中水动力建模、自由表面处理、波浪模拟等方法，建立波浪中船舶操纵运动水动力数值模拟方法；开展S175标模规则波中斜航运动水动力模型试验和数值预报研究，评估波浪对船舶斜航运动水动力的影响，并将数值预报结果与模型试验结果进行比对分析，验证数值模拟方法的可靠性和实用性。研究成果可为波浪中船舶操纵运动预报精度的提升提供技术支撑。
关键词： 规则波；斜航运动；CFD；水动力
doi: 10.3969/j.issn.1007-7294.2025.05.002
03
新型椭圆弧板式透空堤消浪特性的数值模拟研究
曹裕德，武雅洁，王 楠，周家宁，梅 灿
摘要：本文基于开源程序OpenFOAM，构建了波浪与新型椭圆弧板式透空堤相互作用的数值模型，并利用理论解和物理模型试验验证了其准确性。在前人研究的基础上，提出了平椭圆弧板式与双椭圆弧板式两种新型透空式防波堤结构，根据不同波高、周期和潜深共设计90种工况，分析了双平板式、平椭圆弧板式和双椭圆弧板式三种透空式结构的消浪性能。从透射系数、反射系数和能耗系数三方面综合考虑，发现在大多数工况下，平椭圆弧板式透空堤的消浪透射波能低而反射波能高，双椭圆弧板式透空堤的透射波能高而反射波能低。进一步分析发现，当结构均设置在静水面以上时，平椭圆弧板式透空堤与双平板式和双椭圆弧板式相比具有更高的消浪性能。因此，在工程实践中，可根据具体水域的水动力条件，选择露出水面适当高度的平椭圆弧板式透空堤。本文的研究成果能够为实际工程应用中既需要有消浪功能、又要求透水性的防波堤结构设计提供参考。
关键词： 新型椭圆弧板式；消浪性能；透射系数；反射系数；数值模拟
doi: 10.3969/j.issn.1007-7294.2025.05.003
04
畸形波波长计算方法研究
崔 成，潘文博
摘要：在畸形波相关研究中，多采用线性波或者高阶Stokes波的色散关系估算畸形波波长，然而畸形波是一种波形持续时间较短的强非线性波浪。与规则波相比，畸形波的能量组成更为复杂，除了受高阶谐波影响，在其形成过程中，还会发生非线性的波–波相互作用。为了检查采用规则波色散关系估算畸形波波长的精度，本研究采用组成波聚焦的方法在试验水槽中模拟畸形波，根据浪高仪阵列采集的波面时间过程统计畸形波波长，并与相同波高和周期的1阶线性波、3阶Stokes波和5阶Stokes波波长进行对比，对比结果表明，与线性理论相比，采用3阶和5阶Stokes波色散关系估算畸形波波长的精度较高，3阶色散关系足以描述高阶谐波对波长的影响。另外，由于不能考虑非线性波–波相互作用，高阶色散关系会高估周期较长的畸形波和低估周期较短的畸形波。为了能更准确估算畸形波波长，本研究基于3阶色散关系，结合回归分析方法，提出一种精度更高的畸形波波长估算方法，与3阶Stokes波色散关系相比，计算精度提高50%以上。
关键词： 畸形波；波长；非线性；波–波相互作用
doi: 10.3969/j.issn.1007-7294.2025.05.004
05
水下振动台竖向运动下的兴波数值模拟
燕 翔，李棂繁，吴晓生，白志刚，臧志鹏，等
摘要：水下振动台在运动过程中会引起兴波效应。本文建立并验证具有造波、消波功能并包含水下振动台的数值水槽，基于数值水槽探索水下振动台竖向简谐运动过程中的兴波过程，分析水体速度、动水压强及扰动波各要素的影响，旨在为地震–波流联合试验及水池扰动波消除提供参考。结果表明：振动台中心上方的竖向速度随振动台振幅、台长增大而增大，随振动台周期增大而减小；振动台中心上方的动水压强沿水深呈先减小、再增大的分布规律，其幅值随振动台振幅增大而增大；兴波波高随振动台振幅增大而增大，随水深增大而减小；兴波周期随振动台周期增大而增大；兴波波长随振动台周期、水深增大而增大。
关键词：水下振动台；竖向运动；兴波
doi: 10.3969/j.issn.1007-7294.2025.05.005
06
抑制水下航行体初生空化的粗糙带参数优化设计
邢浩杰，胡常莉，王志英，程 诚
摘要：抑制水下航行体初生空化对减小空化带来的不利影响具有重要意义。本文针对通过改变物面粗糙性来抑制初生空化的方法，开展基于代理模型方法的粗糙带参数优化设计研究。首先，采用数值计算的方法分析粗糙带参数对水下航行体头部空化初生特性的影响机制，并给出粗糙带各参数的初始设计范围，然后，采用代理模型方法进行参数选优分析。结果表明：航行体头部表面设置粗糙带可改变其表面压力分布规律，粗糙带前后边界会引起压力的小幅波动，可改变最小压力值从而影响空化初生特性；通过代理模型的敏感度分析可知，相比于粗糙带的位置和宽度，其高度对初生空化数的影响较大，最终获得的优化结果经数值计算验证可明显降低初生空化数，达到较好的抑制空化初生的效果。
关键词：粗糙带；代理模型；初生空化；优化设计
doi: 10.3969/j.issn.1007-7294.2025.05.006
07
振荡流作用下圆柱体周围时均流场数值模拟研究
杨延锋，刘朝林，杨 洋，辛 凤
摘要：为研究圆柱体在周期性振荡流作用下的时均流场特征，通过数值求解N–S方程组得到圆柱体周围的时变流场，进而对速度场进行时间平均获得时均流场。对雷诺数Re<200，给定Stokes数β=20下不同KC数的时均流场进行对比分析。研究发现：当KC<7 （Re<140）时，振荡流涡量源始终附着在圆柱体壁面，并沿振荡流作用方向逐渐拉伸，对应的时均流场由4个尺度较小且具有强稳定流动的内部旋涡结构和4个尺度较大且流动较弱的外部旋涡组成，流动结构呈轴对称分布；当KC>7 （140<Re<200）时，圆柱体周围涡量分布的对称性被破坏，并出现了斜向涡街和耗散行为，对应的时均流场结构发生严重畸变，其流场结构与圆柱体周围的涡脱落模式密切相关；时均流场强度随KC数的增大呈指数形式增强；对于双圆柱管，不同排列方式及管间距比下的时均流场呈现出丰富的流场特征，管间隙流强度随间距比的减小而增大。
关键词： 振荡流；数值模拟；时均流场；旋涡
doi: 10.3969/j.issn.1007-7294.2025.05.007
结构力学
08
考虑温度和应力影响的有机玻璃加速蠕变试验方法
陈 薇，万正权，屈 平，张爱锋，侯春明，等
摘要：本文提出一种基于有机玻璃温度–应力敏感性的耐压结构加速蠕变试验方法。引入温度的影响函数，提出修正的陈化理论蠕变本构方程；开展不同温度及应力水平下的单轴压缩蠕变试验，采用分步拟合法得到有机玻璃的蠕变本构关系；通过有限元蠕变分析得到不同温度、压力下观察窗蠕变行为的换算关系，提出升温升压条件下的观察窗模型加速蠕变试验方法，并完成试验结果与计算结果的对比分析。研究表明：有机玻璃单轴压缩蠕变行为对于应力的敏感度与温度相关；不同温度、压力下的观察窗蠕变变形换算系数的有限元解与直接计算值存在差异；观察窗模型试验结果与有限元蠕变分析结果吻合良好。本文得到的蠕变本构关系能较好地描述有机玻璃在一定温度、应力范围内的单轴压缩蠕变规律，相应的有限元蠕变分析也能较好地模拟观察窗结构的蠕变行为，算例得到观察窗蠕变位移在25℃、26.6 MPa和3℃、20 MPa两个工况之间的换算系数为12.2，该系数可为加速蠕变试验提供依据。
关键词： 蠕变试验；蠕变本构方程；有机玻璃；深海装备；耐压结构
doi: 10.3969/j.issn.1007-7294.2025.05.008
09
基于少数类合成的过采样算法和贝叶斯优化神经网络的结构可靠性分析方法
葛福林，吴宗辉，何 建
摘要：为提高滑油冷却器抗冲击可靠性的计算精度和分析效率，本文提出一种基于少数类合成的过采样（SMOTE）算法和贝叶斯优化（BO）神经网络的结构可靠性分析方法。该方法首先采用均匀设计（UD）方法和少数类合成的过采样算法提高样本点的利用效率，其次使用贝叶斯优化算法优化BP神经网络超参数、初始权值和初始偏置，以提高模型的拟合精度和泛化能力，最后利用优化后的代理模型结合Monte Carlo法计算结构可靠度。研究表明：相较于传统的代理模型法，本文的方法具有计算精度高、分析时间短、计算成本低的优势。本文提出的分析方法在滑油冷却器抗冲击可靠性分析中具有良好的适用性，分析结果可为滑油冷却器的抗冲击设计提供技术指导和理论支撑。
关键词：结构可靠性；BP神经网络；贝叶斯优化；SMOTE算法；滑油冷却器
doi: 10.3969/j.issn.1007-7294.2025.05.009
10
垂荡运动下船用旋转机械耦合浮筏–气囊–限位器系统的碰撞特性研究
李振华，李 明
摘要：为了研究垂荡作用下船用旋转机械耦合浮筏–气囊–限位器系统的碰撞特性，针对船舶垂荡作用及限位器间隙对船用旋转机械耦合浮筏–气囊系统的影响，建立垂荡运动下具有限位器的非对称系统的动力学模型，并对运动方程进行无量纲化处理。利用相图、频谱响应和能量轨迹图等非线性动力学分析方法，研究转子转速、垂荡幅值和限位器间隙对系统动力学特性的影响。研究发现：在垂荡作用下的船用旋转机械耦合浮筏–气囊–限位器系统中，随着垂荡幅值的增加，系统与限位器发生碰撞，导致振幅大幅度减小，但运动状态从拟周期过渡到混沌；碰撞使系统能量轨迹由均匀分布向碰撞区域运动。
关键词：垂荡运动；浮筏–气囊–限位器；碰撞
doi: 10.3969/j.issn.1007-7294.2025.05.010
11
基于CFD-FEM双向流固耦合的大外飘型船舶砰击颤振响应不确定度研究
田光钰，王一雯，张涵韬，吴卫国
摘要：船舶非线性波浪载荷及结构高频颤振响应的准确评估与分析，是明确船舶结构安全性的前提，然而其数值仿真计算的可靠性及其不确定度分析则较少得到关注。本文开展分段龙骨梁水弹性模型CFD-FEM双向流固耦合仿真以及试验研究，对船模在波浪下的高频响应进行仿真分析，并对仿真结果开展不确定度分析，评估仿真模型的可靠性。数值不确定度的计算结果，能够提供不同影响因素下结果是否收敛的判别依据和不确定度水平，并明确船艏的砰击压力、船模的运动和船体高低频波浪弯矩的不确定度水平。对比数值仿真与试验测试可知，CFD-FEM双向流固耦合仿真能够精确地捕捉到船舶结构高频响应，船舶在巡航工况下高频弯矩成分能够占到低频波浪弯矩的49.95%以上，砰击载荷诱发的舰船高频颤振动态响应不容忽视，此类舰船的结构设计及安全评估中须考虑其影响。本文可为船舶砰击颤振此类高频结构动态响应的不确定度分析提供参考。
关键词：水弹性模型试验；砰击颤振；CFD-FEM双向流固耦合；不确定度分析
doi: 10.3969/j.issn.1007-7294.2025.05.011
12
基于IFEM的典型加筋板结构应变重构方法研究
许梦桐，蒋镇涛，汪雪良，朱全华，陈国材，等
摘要：加筋板是船体结构的基本组成单元，此类结构在服役过程中的安全可靠性需重点关注。通过实时监测技术准确获取加筋板结构的应力、应变等物理参量，可为船体结构的安全性评估与预报提供数据支撑。本文通过基于最小二乘变分原理的逆向有限元方法（IFEM）对船体加筋板结构进行应变场重构，首先开展轴压加筋板数值仿真研究工作，将仿真结果输入到逆向有限元算法中进行结构应变场重构，其次通过设计不同的测点布置方案，分析重构结果与仿真结果之间的误差，并结合Xgboost算法为离散测点的数量和位置选择提供依据。结果表明：IFEM可适用于船体加筋板结构的应变重构工作，而通过适当的测点位置优化，可在保持高精度逆有限元重构结果的同时，大量减少逆有限元模型中的测点数量。本文研究结果可为船体结构健康监测及安全性评估提供技术支撑。
关键词：结构健康监测；加筋板；逆向有限元法；应变重构；数值计算
doi: 10.3969/j.issn.1007-7294.2025.05.012
13
新型海洋立管抑振–俘能涡轮装置试验研究
苏泰宁，刘 震，李 朋，韩新宇
摘要：海洋立管是连接海上油气平台与海底井口的关键设施，而涡激振动是引发立管疲劳损伤的主要原因。本试验研究设计一种立管抑振–俘能涡轮装置，用于抑制立管涡激振动并实现能量俘获。以涡轮装置的叶片长度为变量开展试验，一方面验证涡轮装置的抑振性能和俘能性能，另一方面研究叶片长度对于涡轮装置抑振–俘能性能的影响。结果表明：涡轮装置的整体抑振效率可达50%以上，最佳抑振效率为96.08%，抑振效果理想；装置的抑振性能会随叶片长度的增加而呈现正增长，俘能性能则呈现负增长；当叶片长度为12d时，装置的抑振–俘能性能随来流流速的增加而同步增强。
关键词： 海洋立管；涡激振动；抑振效率；俘能性能
doi: 10.3969/j.issn.1007-7294.2025.05.013
流体与结构声学
14
基于全息分离与匹配搜索的圆柱腔内阵列一致性校准
肖 妍，赵明月，何元安，商德江，王 杨，等
摘要：声纳阵成阵过程中，阵元之间难免存在位置偏差，且在密排情况下阵元间的声场耦合较强，将引起阵元间的幅相不一致，需要在成阵后进行阵列在线校准。室内消声水池只能在一定频段内模拟自由场，难以满足低频水声测量所需要的自由场条件。因此，本文围绕常用的圆柱阵列低频校准问题展开研究，提出有限空间中全息声场重构与匹配搜索补偿相结合的阵列幅相一致性校准方法。该方法结合有限空间中近场声全息声场分离技术，首先进行有限空间中的声场重构，利用声场重构结果建立幅相一致性搜索函数，结合匹配搜索算法的寻优思想对复杂阵列阵元的幅相一致性进行校准。文中以小型圆柱阵为分析对象，开展圆柱腔内有限空间声场的理论建模与仿真分析，并结合智能优化算法，实现阵列阵元间幅相一致性校准。仿真结果表明，所提出的基于近场声全息技术的圆柱腔内阵列一致性校准方法，可以在实验室内进行圆柱阵列成阵后的低频幅相一致性在线校准。
关键词：近场声全息；匹配搜索；圆柱腔；圆柱阵；阵列一致性
doi: 10.3969/j.issn.1007-7294.2025.05.014
15
浅海波导中基于平面波展开镜像法的等效源方法
陈弈书，石博旋，张 超，商德江
摘要：针对浅海波导中弹性结构辐射的预报问题，提出一种基于平面波展开镜像法的等效源方法，该方法以等效源法为主体框架，在求解虚拟源强度以及远场声场计算时采用平面波展开镜像法表示声场Green函数。对于海底反射系数是入射角函数的情况，文中Green函数在镜像法的基础上将点声源辐射球面波做各向平面波分解，实现球形波阵面在非理想平面边界上声反射的准确计算。通过不同方法表示的Green函数之间的对比，验证本文Green函数的计算精度。本文对浅海波导中弹性圆柱壳的数值仿真结果证明了基于平面波展开镜像法的等效源方法声场重构的准确性。
关键词：浅海波导；声场预报；平面波展开镜像法；等效源法
doi: 10.3969/j.issn.1007-7294.2025.05.015
END
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