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《船舶力学》2025-03期|摘要速览
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流体力学
01
基于GRU模型的船舶运动与载荷快速预报研究
朱沛樵，丁 军， 耿彦超， 强以铭
摘要：本文基于门控神经网络（GRU）建立船舶运动与载荷快速预报模型，GRU神经网络是一种简洁高效的循环神经网络，通过捕捉训练样本的时序信息建立模型来预报未知样本。预报模型由两个独立的GRU神经网络组成，分别实现船舶运动与载荷的预报，将船舶纵摇和垂荡历史数据共同作为运动预报模型输入，预报得到未来数秒后的船舶纵摇和垂荡，并将运动预报结果作为载荷预报模型的输入，实现对船舯垂向弯矩的预报。通过模型试验数据对该方法进行验证，结果表明不同超前预报时间的预报结果与试验结果幅值和相位吻合较好，验证了所建立的船舶运动与载荷预报模型的可行性。
关键词：GRU神经网络;船舶运动;波浪载荷
doi: 10.3969/j.issn.1007-7294.2025.03.001
02
水陆两栖飞机顶浪中滑行运动特性研究
胡开业，周 辉，曹嘉荣，江 婷，唐彬彬
摘要：为了掌握水陆两栖飞机在顶浪中滑行运动的运动特性，采用数值水池-直角网格有限差分方法研究波长和波高对飞机垂荡、纵摇响应及舯部、艏部垂向过载的影响规律。该方法基于分步法对Navier-Stokes方程进行空间离散，采用浸没边界法捕捉复杂物体边界，并准确模拟其大幅运动，同时利用THINC/SW算法有效模拟自由液面的剧烈运动。计算结果表明：波长和波高对水陆两栖飞机的滑行运动响应影响较大，随着滑行速度的增大，纵摇谐振波长不断增大，垂荡谐振波长呈现先减小、后增大的规律，同时飞机的纵摇和垂荡运动响应、艏部和舯部的垂向过载与波高之间的线性关系也会随之减弱。
关键词：水陆两栖飞机;滑行运动响应;直角网格;浸没边界法
doi: 10.3969/j.issn.1007-7294.2025.03.002
03
岛礁地形下浮式结构动力响应分析
高艳丽，黄林茜，涂佳黄，王贯宇，黄小凡
摘要：基于Smoothed Particle Hydrodynamics(SPH)数值模拟方法，本文对在近岸岛礁地形下不同类型波浪传播演化过程的变化情况与系缆式浮式结构动力响应情况进行分析。研究结果表明：当在岛礁前放置系缆式浮体结构时，浮式结构对非规则波的波高衰减效果会优于规则波，且波高的变化对浮式结构波高衰减效果影响不大；波浪周期的变化对浮式结构的消浪效果影响较大，而浮式结构对长周期波浪的波高衰减效果较差；不同规则波波高工况下，浮式结构的最大垂向位移、最大纵摇角度以及最大横荡值随波高的增大均呈现上升的趋势，其中最大纵摇角度对波高变化最为敏感，最大垂向位移最不敏感；不同波周期工况下，浮式结构的最大垂向位移与最大横荡值都随波周期的增大而增大，而最大纵摇角度却会减小。
关键词：岛礁地形;SPH方法;系缆式浮体结构;动力响应;波参数
doi: 10.3969/j.issn.1007-7294.2025.03.003
04
基于混合格林函数法的极地限制航道内船舶水动力特性研究
杨云涛，湛俊华，朱仁传，马 超，高 慧
摘要：为了研究极地限制航道内船舶的水动力特性，本文基于三维势流理论建立一种混合格林函数法。该方法在航道流域以自由面格林函数为核函数，在两侧冰覆盖域采用弹性薄板模型模拟海冰并以自动满足冰覆盖水面条件、海底条件和辐射条件的冰面格林函数为核函数，分别构建边界积分方程耦合求解。为了提高数值计算效率，积分方程中与冰面格林函数波动部分相关的影响系数通过采用解析公式计算垂向积分来求得。在此基础上，自主开发船舶在冰间限制航道中水动力响应的数值计算程序。以一艘存在计算数据的驳船为研究对象，讨论控制面长度和网格密度对计算收敛性的影响，验证方法和程序的可靠性。进一步对不同航道宽度和冰层厚度下的水动力系数进行计算与分析，结果显示冰间限制航道内船舶的水动力呈振荡变化，并且航道宽度越小、冰层越厚，振荡程度越激烈，船舶受海冰影响越显著。
关键词：混合格林函数法;冰间限制航道;水动力;极地
doi: 10.3969/j.issn.1007-7294.2025.03.004
05
基于神经网络的流体晃荡波高和压强的预测研究
金 鑫，王宇圣，张福贵，陈 健，李登松，等
摘要：基于Navier-Stokes方程的数值模型和物理模型实验研究流体晃荡现象存在计算效率低和经济成本高的不足。为此，本文通过构建神经网络模型对数值和实验结果进行时序重构，预测流体晃荡的压强和波高。以数值和实验的总压强和自由表面高程数据作为训练样本，将神经网络中表征能力强的CNN、RNN、LSTM用于重演流体晃荡响应的时间演化过程。在模型训练过程中，系统地调节神经网络的内部结构参数，分析预测结果与实际值之间的误差和相关性。结果表明，RNN和LSTM的重构误差低于4%，相关性达到0.88，整体优于CNN；LSTM的整体性能最佳，可以作为预测长序列数据的首选。整体来讲，三种代理模型均可以较好地复现流体晃荡的波高和压强，在流体晃荡研究方面具有良好的应用前景。
关键词：流体晃荡;神经网络;数值模拟;预测
doi: 10.3969/j.issn.1007-7294.2025.03.005
06
回转破冰场景下极地船冰压力载荷特性数值分析
葛钰辉，丁仕风，周 利，曹 晶，王燕舞
摘要：船舶在冰区回转时，船首肩部、尾部等易受到作用概率与幅值更大的冰载荷影响，对船体结构安全构成威胁。本文采用海冰环向裂纹法，模拟回转破冰过程中船–冰相互作用的动态过程，分析不同船体区域船–冰相互碰撞的随机特性，识别典型局部冰压力时间历程，探究不同形式冰压力的主要特征，如周期、幅值以及分布规律，分析在回转破冰场景下各个船体区的危险程度。结果表明，局部载荷周期与幅值呈负相关趋势；周期较短的“纯三角”型载荷分布在船首区域的概率为63.79%，该区域峰值占整船的82.4%，是回转破冰场景下的关键区域。本文方法可为研究船–冰相互作用提供有效手段，其计算结果可作为极地船舶抗冰结构设计的载荷输入。
关键词：冰压力特征;回转操纵;动态载荷;统计分析;极地船
doi: 10.3969/j.issn.1007-7294.2025.03.006
07
端板型对转螺旋桨空化性能分析
陈振纬，陈旭鹏，张 驰，周赵烨，胡成海，等
摘要：为提高对转桨的推进性能，减小空化效应，将端板螺旋桨应用于对转桨，分析端板型对转桨的片状空化性能和推进性能。基于RANS及Schnerr-Sauer空化模型，对由常规侧斜螺旋桨组成的对转桨和端板螺旋桨组成的新型对转桨，在系柱及低进速下进行空化性能分析及推进性能校核。研究发现：端板的添加使对转螺旋桨具备更佳的抗空化性能，系柱状态下（J=0）桨叶表面片状空化范围减小约59%,J=0.1时空化延迟发生；且在低进速条件下，端板对转桨具备更高的推进效率，较常规侧斜对转桨高出0.9%～3.1%；在不同转速下，端板型对转桨的敞水仿真结果与实验数据较为吻合。本研究将端板螺旋桨创新性地应用于对转螺旋桨，适合于低速潜航器的推进及作业需求。
关键词：对转螺旋桨;端板螺旋桨;计算流体力学;空化性能;推进性能
doi: 10.3969/j.issn.1007-7294.2025.03.007
08
偏心型半潜式风机运动响应对比研究
修衍彬，栾富豪，涂智圣，张才亮，刘寒秋，等
摘要：本文考虑实际环境中风能方向集中的特性，提出一种偏心型半潜式基础，采用AQWA-Fast软件建立风机全耦合分析模型，对比分析对称型风机和偏心型风机在不同风浪入射角下的运动响应特性。结果表明：波浪入射角变化几乎不影响漂浮式风机平均运动响应值和平均发电功率；当风浪入射角相同时，偏心型平台横荡、横摇和艏摇自由度运动性能更优，并在一定程度上降低了系泊张力；当波浪入射角不断变化时，偏心型设计将改善横荡、横摇、纵摇和艏摇运动性能；此外，偏心型风机综合发电性能更好。
关键词：偏心设计;半潜式基础;风浪异向;运动响应
doi: 10.3969/j.issn.1007-7294.2025.03.008
09
基于虚拟网格法的交错布置振荡双柱体绕流数值模拟
石伏龙，欧传中，辛建建，李洪鑫，毛艺达
摘要：海洋立管通常以多种管群形式存在，相邻多立管之间干扰特征明显，会加快疲劳损伤，探究其尾流旋涡脱落形态及流场干扰特征，对保证立管系统安全运营有重要意义。基于完全自主开发的虚拟网格浸入边界法求解器，采用有限差分法在交错直角网格上求解不可压缩Navier-Stokes方程、虚拟网格法施加动边界的边界条件、径向基函数等值面方法隐式表示动物体，并识别背景网格属性。采用自主开发的粘性数值求解器，模拟不同布置形式下强迫运动双圆柱绕流问题，分析了多种状态下双圆柱表面载荷和水动力特性的影响及典型流动形态。阐述了不同布置形式和振荡频率下柱体间相互干扰及升阻力系数变化规律及尾涡脱落形态机制，通过数值模拟结果分析了偏斜流、双涡对称脱落和涡列融合等典型流动干扰机理现象，为分析集群形式立管的优化布置提供理论指导。
关键词：虚拟网格法;动边界;双圆柱绕流;漩涡脱落
doi: 10.3969/j.issn.1007-7294.2025.03.009
结构力学
10
基于向量式实体单元的深水厚壁管道压溃分析
李振眠，邵 强，余 杨，余建星，马文韬，等
摘要：厚壁管道广泛应用于（超）深水油气输送和浅水管道止屈防护，但目前国际权威规范对其极限承载能力存在明显低估，其经济性和安全性受到了业界的高度关注。针对厚壁管道局部压溃的关键力学问题，首先推导向量式有限元（VFIFE）实体单元计算公式，建立考虑几何、材料和边界非线性的厚壁管道压溃行为分析模型。通过8组缩尺比厚壁管道压溃试验和DNV规范、ABAQUS模拟分析模型的准确性。开展径厚比、初始椭圆度和屈服强度的敏感性分析，量化DNV规范方法的计算误差，并基于VFIFE结果拟合得到更准确的厚壁管道压溃压力计算公式。研究结果表明：VFIFE常应变四面体单元模拟结果符合实际情况，可以为深水厚壁管道压溃行为分析提供一套新的分析策略，但应注意确定结构准静态加载允许的最大加载速率；在较高的外压载荷作用下，管道会发生局部压溃和动态屈曲传播，截面由椭圆形变化为内壁出现一定褶皱的“哑铃”形，应力分布的变化规律符合实体结构屈曲失稳的一般规律；DNV规范对于厚壁管道压溃压力的计算误差分别随径厚比减小、初始椭圆度减小和材料屈服强度增大而增大；厚壁管道压溃压力的修正公式同源数据拟合误差为-2.49%～1.72%，异源数据计算误差为-6.11%～1.70%，能够准确计算径厚比8～18、初始椭圆度为0.5%～3.0%和材料屈服强度为300～550 MPa的深水管道压溃压力。本文结果可用于指导海底厚壁管道设计和校核。
关键词：深水厚壁管道;向量式有限元;实体单元;压溃试验;局部压溃;屈曲传播
doi: 10.3969/j.issn.1007-7294.2025.03.010
11
含初始静应力场的水下耐压结构强度与稳定性研究
谢晓忠，赵 勰，冯士超，陈沙古，胡嘉骏
摘要：针对合拢端口含初始几何缺陷的环肋圆柱壳结构在形状矫正后装配产生的初应力场问题，在考虑由大变形引起的几何非线性的前提下，研究初应力场对环肋圆柱壳结构强度及稳定性的影响。采用试验方法，获得典型环肋圆柱壳在端口位移载荷下的结构应力；同时利用ANSYS软件构建含初始几何缺陷的环肋圆柱壳有限元模型并计算得到初应力场；通过试验结果与计算结果的对比验证数值仿真的有效性；进一步通过弧长法对含初始几何缺陷及初应力场的水下耐压结构的强度与稳定性进行求解。分析表明：受静水外压作用的水下耐压结构在考虑初始静应力场后，其极限承载能力出现小幅下降，结构失稳波形规则性降低，但破坏位置未发生变化。
关键词：初始几何缺陷;应力场;环肋圆柱壳;静水外压;强度;稳定性;有限元模型
doi: 10.3969/j.issn.1007-7294.2025.03.011
12
非比例载荷下考虑加载路径的多轴疲劳寿命预测模型
高建雄，程 琴，朱鹏年
摘要：循环加载下路径的非比例性所引起的附加强化效应，是造成材料疲劳寿命缩短的重要因素。针对这一问题，首先基于等效应变模型和临界面理论，以最大剪切应变幅所在平面为临界平面，综合考虑材料本身的非比例系数和加载路径的非比例性，引入一种新型非比例因子来量化非比例加载对于材料疲劳寿命的影响。其次，为考虑试件的损伤机理与疲劳破坏模式，以临界平面上的最大法向应力来表征其对疲劳破坏的贡献，在此基础上结合非比例因子，提出一种多轴疲劳寿命预测模型。最后，利用多轴载荷作用下四种材料的疲劳实验数据验证所提模型的有效性，并将预测结果与五种现有模型进行对比。研究结果表明：与现有模型相比，所提模型能够有效提升非比例载荷作用下多轴疲劳寿命的预测精度。
关键词：非比例载荷;加载路径;多轴疲劳;寿命预测;临界平面
doi: 10.3969/j.issn.1007-7294.2025.03.012
13
基于神经网络的船舶辐射噪声预报方法
黄 欣，徐荣武，李瑞彪
摘要：针对船舶机械设备众多、结构复杂、振动传递路径相互耦合的现状，本文提出基于误差反向传播(Back Propagation, BP)神经网络的船舶水下辐射噪声预报方法。分别构建基于梯度下降算法和贝叶斯正则化算法的BP神经网络，以振动数据为输入量、船体辐射噪声为输出量，将均方根误差(e RMSE)和平均绝对误差(e MAE)作为模型预测精度评价指标。结果表明，贝叶斯正则化BP神经网络的泛化性和鲁棒性优于梯度下降算法的BP神经网络，误差达到3 dB以内，在船舶辐射噪声预报领域具有较好的适用性。
关键词：辐射噪声预报;BP神经网络;梯度下降算法;贝叶斯正则化算法
doi: 10.3969/j.issn.1007-7294.2025.03.013
流体与结构声学
14
改进的均匀等效理论在声学覆盖层吸声系数快速预报中的应用研究
胡昊灏，黄一帆，李东升，胡东森
摘要：本文提出一种改进的声学覆盖层均匀等效理论，将含周期空腔的声学覆盖层等效为均匀层以提高声吸收计算效率。在传统均匀化理论的基础上，综合考虑势流理论、Minnaert共振散射理论推导含周期球形空腔声学覆盖层的等效密度、等效模量以及等效厚度三个关键参数，通过解析计算获取覆盖层吸声系数。探讨了该算法的有效性、高效性以及适应性，可为实现声学覆盖层中低频吸声系数快速预报提供技术支撑。
关键词：声学覆盖层;共振散射;均匀化;吸声系数
doi: 10.3969/j.issn.1007-7294.2025.03.014
15
基于双自由度系统的转子特征值耦合特性分析
周兆华，雷晓薇，张雪冰，王刚伟，杨 俊，等
摘要：随着大流量涡轮泵的迅速发展，其叶轮尺寸和转速日益增大，导致涡轮泵本身的耦合振动现象凸显。为保持涡轮泵的平稳运行并降低其振动噪声，本文研究了涡轮泵转子系统的耦合动力学特性。首先，基于简化的涡轮泵转子有限元模型进行分析，发现当转子不同阶频率在Campbell图中相互趋近时，接近重合的区域会发生转向和合并两种耦合特征现象。进一步分析发生耦合特征现象时的转子模态，发现互相耦合的不同阶特征模态会相互影响。接着，采用双自由度系统模拟转子耦合特征现象，分析耦合度、阻尼以及陀螺力矩对其特性的影响。最后，分析双自由度系统耦合动力学特性，发现系统发生转向及合并现象时，其动力响应会发生突变，导致系统耦合振动幅值增大，甚至系统失稳。研究成果可为转子系统安全稳定运行提供理论指导。
关键词：特征值耦合;动力学特性;转子系统;坎贝尔图
doi: 10.3969/j.issn.1007-7294.2025.03.015
END
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