一种基于流固耦合模拟的硬质风帆风振响应计算方法技术

本发明专利技术公开了一种基于流固耦合模拟的硬质风帆风振响应计算方法，包括以下步骤：1、利用gambit建立船舶风帆的流体域网格模型；2、CFX中选用适合的湍流模型，作用于流体域网格模型上并通过数值模拟计算得出风帆所受的表面压力文件；3、建立船舶风帆的固体域结构模型；4、将CFX得出的表面压力数值文件通过插值法导入并作用于风帆固体域结构模型上；5、完成耦合并进行数值模拟风帆风振情况，计算风帆受到的应力值；6、根据计算结果判断风帆结构强度在各工况下是否符合规范要求，进而指导船舶风帆的设计和建造。本发明专利技术可以较精确地计算风帆结构受到的应力值，进而与结构材料的许用应力相比较，判断符合结构规范，因此可以有效降低船舶风帆的设计和建造成本。

A Method for Calculating Wind Vibration Response of Hard Sail Based on Fluid-solid Coupling Simulation

【技术实现步骤摘要】
一种基于流固耦合模拟的硬质风帆风振响应计算方法
本专利技术涉及一种计算机数值模拟及CAE领域，更具体地说，涉及一种基于流固耦合模拟的硬质风帆风振响应计算方法。
技术介绍
船舶在建造以及营运过程中，会造成大量的水、废气污染。而风帆助航船利用海洋上丰富的自然风为风帆提供动力，符合国家节能减排政策。现代风帆为硬质风帆，及刚性升力帆，由于风帆两侧的流线形状不同，当自然风流经风帆产生的压力差为风帆提供升力，作为帮助船舶前进的动力。风场为风帆提供动力的同时，其产生的动态载荷也将会对结构产生影响。船舶航行遭遇波浪时会产生横摇，横摇会带动高耸的风帆结构一起发生运动，而当横摇周期与风帆的固有频率相接近时，会使风帆的运动加剧，从而导致结构应力值增大。因此需要在设计过程中对这种危险状况进行分析。
技术实现思路
本专利技术针对船舶航行遭遇波浪时发生的危险情况，提供一种基于流固耦合模拟的硬质风帆风振响应计算方法，本专利技术的具体步骤为：S1、在gambit中建立船体坐标系以及风帆坐标系，根据风帆的实际参数建立船舶硬质风帆的流体域网格模型，并将所述流体域网格模型导入CFX中；S2、CFX中建立船舶硬质风帆的初值风速和边界条件，选用湍流模型并作用于所述流体域网格模型上，采用有限体积法计算得出船舶硬质风帆所受的表面压力，并得到表面压力数值文件；所述湍流模型为SST-SAS湍流模型，所述湍流模型的方程组为：式中，ρ为密度，t为时间，k为湍流动能，Pk为动能产生项，μt是湍流黏性，ω为比耗散率，μi是时均速度，F1为混合函数，σk和σε是k，ε的湍流普特数，β*和β为常数，Sij为平均应变率；所述SST-SAS湍流模型方程考虑到分离区内湍流粘性耗散，在标准SST的比耗散率ω方程中添加QSAS项，其中SST湍流模型是标准k-w模型的变形；使用混合函数将标准k-e湍流模型与k-w湍流模型结合起来，将k-w用于边界层内求解，k-e用于边界层外部求解，而QSAS项将稳态区域，即QSAS＝0，与非稳态区域，即QSAS>0，区分开来；QSAS项中Lvk为vonKarman尺度，L为模化湍应力尺度，Lvk在非稳态区根据当前已知流场分析漩涡动态，实时调整湍流模型中长度尺度；模型常数为：C＝2.0,σΦ＝2/3,κ＝0.41,Cμ＝0.09,S3、在ANSYS软件中建立风帆帆面，桅杆，基座以及附近甲板的固体域结构模型并对所述固体域结构模型添加边界约束条件，约束为固体域结构模型边缘节点的自由度约束以及扭转约束；S4、将所述表面压力数值文件通过插值法导入并作用于ANSYS船舶风帆的固体域结构模型上，在流体域网格模型与固体域结构模型的流固耦合交界面处，应满足流体与固体应力τ、位移d、热流量q、温度T等变量相等或者守恒，即满足以下方程：式中，下标s和f分别代表流体域和固体域；S5、利用有限单元法进行数值模拟计算硬质风帆风振情况，计算硬质风帆受到的应力值；S6、根据计算的硬质风帆受到的应力值结果判断硬质风帆结构强度在各工况下是否符合规范要求，进而指导船舶硬质风帆的设计和建造。优选方式下，所述S1中建立的流体域网格模型选用的风类型为脉动风，风速的时程公式如下：V＝V0+Asinωt其中V0为平均风速，ω为风速变化频率，A为0.4V0；边界条件为：建立的流体域网格模型为一个六面体长方体，右侧为速度入口边界条件，设立相应的风流入速度，左侧设立了压力出口边界条件，用来定义流动出口处的静压，六面体的前后以及上侧设为对称边界条件，使风不会从这三个面溢出，下侧设置为固壁无滑移边界条件，用来模拟安放风帆的甲板。优选方式下，改进vonKarman尺度Lvk为其中Ωcv为控制体单元体积，常数Cs可通过对各项均匀同性湍流的模拟进行标定，最后取Cs＝0.26，Lvk是表征流场漩涡的最小分辨率。本专利技术的有益效果为:本专利技术的计算方法以流固耦合理论模型作为基础，通过模拟各工况下的风帆风振来进行风帆受到的应力值计算，由于模拟情况与船舶风帆实际风接近，可以较精确地计算风帆结构受到的应力值，进而与结构材料的许用应力相比较，判断符合结构规范，因此可以有效降低船舶风帆的设计和建造成本。附图说明图1为本专利技术的计算流程图；图2为本专利技术的一个实施例中的船体坐标系、风帆坐标系；图3为本专利技术的一个实施例中的风帆旋转角度；图4为本专利技术的一个实施例中的gambit建立的流体域网格模型；图5为本专利技术的一个实施例中的0°攻角时风帆表面压力分布；图6为本专利技术的一个实施例中风帆主体的有限元模型；图7为本专利技术的一个实施例中风帆基座有限元模型；图8为本专利技术的一个实施例中甲板约束示意图；图9为本专利技术的一个实施例中观察风帆的响应情况的观测点俯视图；图10为本专利技术的一个实施例中观察风帆的响应情况的观测点正视图；图11为0°攻角帆面最大动应力随频域变化的曲线。具体实施方式下面结合具体实施方式对本专利技术即一种基于流固耦合模拟的硬质风帆风振响应计算方法进行进一步说明。在一个实施例中，本专利技术公开了一种基于流固耦合模拟的硬质风帆风振响应计算方法，包括如下步骤：S1、利用gambit建立船舶风帆的流体域数值模型；S2、CFX中选用适合的湍流模型，作用于流体域网格模型上并通过数值模拟计算得出风帆所受的表面压力文件；S3、建立船舶风帆的固体域结构模型；S4、将CFX得出的表面压力数值文件通过插值法导入并作用于风帆结构模型上，完成耦合并数值模拟计算响应；S5、完成耦合并数值模拟风帆风振情况，计算风帆受到的应力值；S6、根据计算结果判断风帆结构强度在各工况下符合规范要求，进而指导船舶风帆的设计和建造。本实施例所公开的计算方法，首先确定了船体坐标系和风帆坐标系，建立了流体域和固体域的几何模型并给定初值和边界条件，初值为风速，边界条件：建立的流体域网格模型为一个六面体长方体，右侧为速度入口边界条件，设立相应的风流入速度，左侧设立了压力出口边界条件，用来定义流动出口处的静压，六面体的前后以及上侧设为对称边界条件，使风不会从这三个面溢出，下侧设置为固壁无滑移边界条件，用来模拟安放风帆的甲板。之后建立数值模型，通过模拟各工况下的风帆风振来实现风帆受到的应力值计算，该计算方法以完备的理论模型和数值模型作为基础，综合考虑了船舶风帆在实际中的因素，与船舶风帆实际受风环境接近，可以较精确地计算风帆结构受到的应力值，进而与结构材料的许用应力相比较，判断符合结构规范，因此可以有效降低船舶风帆的设计和建造成本。本实施例中所述的使用gambit建立的流体域模型选用的风参数类型为脉动风；风荷载是高耸、高层结构的主要荷载，在某些情况下甚至起着决定性的作用。根据大量风的实测资料可以看出，在风的时程曲线中，包括两种成分：长周期部分，其值常在10分钟以上；短周期部分，常常只有几秒钟(脉动风的频率为0.1-1Hz，即周期为1-10s)。根据上述两种成分，实用上常把风分为平均风(即稳定风)和脉动风来加以分析。脉动风是由于风的不规则性引起的，它的强度是随时间随机变化的，由于它的周期较短，因而其作用性质是动力的，将引起结构的振动。取脉动风风速的时程公式如下：V＝V0+Asinωt其中V0为平均风速，ω为风速变化频率，A为0.4V0。本实施例中所述的使用CFX建立的船舶风帆流体域采用了SST-SA本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于流固耦合模拟的硬质风帆风振响应计算方法，其特征在于，具体步骤为：S1、在gambit中建立船体坐标系以及风帆坐标系，根据风帆的实际参数建立船舶硬质风帆的流体域网格模型，并将所述流体域网格模型导入CFX中；S2、CFX中建立船舶硬质风帆的初值风速和边界条件，选用湍流模型并作用于所述流体域网格模型上，采用有限体积法计算得出船舶硬质风帆所受的表面压力，并得到表面压力数值文件；所述湍流模型为SST‑SAS湍流模型，所述湍流模型的方程组为：

【技术特征摘要】
1.一种基于流固耦合模拟的硬质风帆风振响应计算方法，其特征在于，具体步骤为：S1、在gambit中建立船体坐标系以及风帆坐标系，根据风帆的实际参数建立船舶硬质风帆的流体域网格模型，并将所述流体域网格模型导入CFX中；S2、CFX中建立船舶硬质风帆的初值风速和边界条件，选用湍流模型并作用于所述流体域网格模型上，采用有限体积法计算得出船舶硬质风帆所受的表面压力，并得到表面压力数值文件；所述湍流模型为SST-SAS湍流模型，所述湍流模型的方程组为：式中，ρ为密度，t为时间，k为湍流动能，Pk为动能产生项，μt是湍流黏性，ω为比耗散率，μi是时均速度，F1为混合函数，σk和σε是k，ε的湍流普特数，β*和β为常数，Sij为平均应变率；所述SST-SAS湍流模型方程考虑到分离区内湍流粘性耗散，在标准SST的比耗散率ω方程中添加QSAS项；SST湍流模型是标准k-w模型的变形；使用混合函数将标准k-e湍流模型与k-w湍流模型结合起来，将k-w用于边界层内求解，k-e用于边界层外部求解，而QSAS项将稳态区域，即QSAS＝0，与非稳态区域，即QSAS>0，区分开来；QSAS项中Lvk为vonKarman尺度，L为模化湍应力尺度，Lvk在非稳态区根据当前已知流场分析漩涡动态，实时调整湍流模型中长度尺度；模型常数为：C＝2.0,σΦ＝2/3,κ＝0.41,Cμ＝0.09,S3、在ANSYS软件中建立风帆帆面，桅杆，基座以及附近甲板的固体域结构模型并对所述固体域结构模型添加...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈立，马骏，张倩，李文贺，刘国磊，李嘉换，刘佳，赵一阳，卢冉，张祺，
申请(专利权)人：大连船舶重工集团有限公司，
类型：发明
国别省市：辽宁,21