海洋数值模拟研究方向论文

船舶与海洋工程结构极限强度分析论文

船舶的总体结构状态时一个非常复杂的过程。下面是我收集整理的船舶与海洋工程结构极限强度分析论文，希望对您有所帮助!

摘要： 当轮船受到外部冲击载荷时，轮船整体结构就会变形，当这个变形达到最大极限状态，这时的极限状态叫做极限弯矩。轮船整体构架承受全部抗击的最强能力是极限强度。本文对船舶结构极限强度。进行了分析和研究，提出了有限元分析方法进行强度和极限分析。

关键字： 极限强度，船舶，结构，船舶与海洋工程

随着科学技术的不断进步，轮船结构以及轮船使用的材料都有很大的进步。船体的整体结构和材料成为当今社会研究的主要对象。随着计算机技术的日益成熟，船体整体结构和承受的。屈服力都可以采用软件仿真来快速精确的计算。

1.引言

船体的整体结构和承受的能力是保证轮船安全的重要保障，它关系到轮船是否安全出航和安全返航。随着先进的设计技术的进步，计算机相关设计软件已经可以。设计整体结构和仿真测试船体的整体结构。分析船体结构和整体强度是一个复杂的非线性过程，必须进行合理的划分，采用好的分析方法才能得出精确的数值。新材料的不断出现使船体材料耗费变的越来越经济合理，同时船体结构屈服强度也变的越来越理想。

在分析船舶整体结构变形和极限强度的时候，我们所研究的绝大多数问题都是属于线性的微弱形变问题。在微弱整体的结构中，位移和应变可以被线性化，等效于正比关系。但是，在实际中，不规则物体所受的应力和应变都不是线性的，常见的有悬臂梁的弯曲，U形梁的变形等等。

2.总体结构状态

船舶的总体结构状态时一个非常复杂的过程。总体结构的崩溃在过去几年是一个非常普遍的现象，它是船体结构所受冲击超过了材料本身的极限，这时候支撑梁不能够支撑船体整体结构。以上情况不足为奇，在飞机和潜艇外体上也经常出现类似情况。目前，中国的船体分析技术的研究还处于起步阶段，与国外发达国家。先进水平仍有很大的差距。为了进一步研究分析，我国投入资金和人力，在实际工程中，建立一个比较完善的船体分析系统，包括原动机转速控制系统，同步船体结构系统，轮船控制系统管理相关技术的研究，实验研究了一系列模拟各种恶劣的条件下，容易控制船体结构的一些关键技术，并做了可行性分析。船舶具有非常重要的作用，特别是对船体分。析屈服强度的分析，轮船安全可谓海军舰艇的生命线。动力和结构形成一个整体轮船系统，为船体结构极限强度分析的发展。指明了方向。

3.极限强度分析法

如何分析船舶结构的极限强度是一个复杂而且非常有意义的过程。分析这种复杂的船体结构没有一种比较准确的分析方法。在分析极限强度的时候，我们通常采用复杂问题简单化，采用线性和非线性结合的方法，有限元和边界元分析相结合的方法。

逐步破坏分析法

上世纪末，美国物理学家的在基于对悬臂梁、加筋板在轴向压缩载荷作用下结构失效问题的研究成果中提出了逐步破坏的分析方法。船体结构破坏不是一个迅速变化的过程，是一个一步一步的程序，同时也不会一下子超过屈服极限，随着应力的增大逐渐的增大的逐渐破坏。在进行破坏分析的时候，首先建立屈服应力和位移的曲线关系。

非线性分析法

分线性分析方法必须。对船体分析采用模块化分析，必须充分考虑如何进行分段，分段之后逐个段进行非线性分析。在这个工程中，一个段的结构有自己的不同，针对不同结构进行线性化分析和非线性化分析。每个分段包含一个骨架间距内的所有主要构件，选择或者利用发生崩溃概率最大的情况进行分析的原则，对所承受的分段骨架进行全面的分析和仿真。这种分析方法需要对每一段进行模型建立，然后一个模型模型的分析。船体总体结构的弯曲和抗屈服能力不同导致分析结果不同。

有限元分析法

有限元分析方法是结构分析的简单方法，它能把复杂问题简单化，分析整体结构的节点和网格。在进行有限元分析的时候，通常对船体结构进行网格划分，然后进行网格施加约束，在均匀网格上施加可变的。激励，观察整体结构的响应。采用这种方法能模拟船体的边界条件和整体约束。有限元分析方法综合考虑。船体的形状和材料的'不同，通过不同载荷的约束，我们可以分析出结构极限(包括最大应力，最大屈服极限)。最近几年，有限元分析方法被应用在船舶整体分析和部分结构分析的案例非常多。这种分析方法有两个个缺点。一是。不能很好的模拟真实环境，不能考虑周围环境对整体结构形变的影响。第二对于结构复杂的构件，有限元分析方法对于复杂的结构不太实用，设置相关算法时间太长，不能在有效的时间完成任务。这种分析方法的优点有以下几个方面：

(1)对船体建模方式直观明了。在分析结构的时候可以采用线性划分和非线性划分网格。采用相关软件完全可以分析所有动态结构的模型和仿真。利用有限元分析模块的可视化建模窗口，动态结构的框图和模型可迅速地建立和仿真研究。用户需要选择元件库(对应的子模块程序模块)中选出比较合适的模块，然后并改变需要的形式，拖放到新建的建模窗口，鼠标点击或者画线连接都可以搭建非常可观的结构模型。他的标准库拥有的模块远远大于一百五十多种，可用于搭建和仿真各种不同的、种类变化的动态结构。模块包。括输入信号源子模块、动力学元件子模块、代数函数和非线性函数子模块、数据显示子模块模块等。模块可以被设定为触发端口和使能的端口，能用于模拟大模型结构中存在条件作用的子模型的行为。

(2)可以构建动态结构模型。可动结构的模型可以修改并进行仿真。有限元分析还可以作为一种图形化的、数字的仿真工具，用于对动态结构模型建立和操作改变规律的研究制定。

(3) 模块元件与用户代码的增添和定制。已有模块的图标都可以被用户修改，对话框的重新设定。用户完全可以把自己编写的C代码、FORTRAN代码、Ada代码直接植入模型中，此外模块库和库函数都。是可定制的，扩展以包容用户自定义的结构环节模块。。

(4)设计船舶结构模型的快速、准确。他拥有优秀的积分和微分算法，这样给非线性结构仿真带来了极大的方便，同时也带来了相对较高的计算精度。可以选择比较先进的常微分方程求解器和偏微分方程求解器，还可用于求解力学刚性的和非刚性的结构，还可以求解具有事件触发的逻辑结构，求解或不连续状态变量的结构和具有代数环和参数环的结构。软件的求解器可以确保连续结构或离散结构的仿真高速、准确的进行。

(5)复杂结构可以分层次地表达。根据个人需要，若干子结构可以由各种模块组织。按照自顶向下(从元器件到结构)或自底向上(从实现的每一个细节到整体结构)的方式搭建整个结构模型。这种分级建模能力能够使得代码丰富的、体积庞大的、结构非常复杂的模型可以简便易于行动的构建。结构子模型的层次数量和子子模块的分层次数量完全取决于所搭建的结构，软件本身不会限制到搭建的模型。有限元还提供了模型和子。模块结构浏览的功能。这样更加方便了大型复杂结构结构的操作。

(6) 仿真分析的交互式。该软件显示的示波器可以图形显示和动画的形式显示出来，数据也可以动作的形式显示，What-if分析运行中可调整参数模型进行，监视仿真结果能够在仿真运算进行时。可帮助用户不同的算法可以快速评估，进行参数优化这种交互式的特征。

由于有限元模块是全部融合于有限元，一次在有限元模块下所有的计算的结果都完全可保存到有限元软的工作空间中，因而就能使用有限元所具有的众多分析、可视化及工具箱工具操作数据。

4.船舶在军事上的发展状况

在军事上的应用：在上世纪90年代，以美国为首的国家海军大力发展海军轮船性能优化，整体结构和性能得到优化。于93年提出了水面舰艇先进机械项目计划(提前海洋表面计划ASMP)。

美国的目的是建立一个国家的最先进的舰艇推进系统，能够实现远程作战和抗高撞击的能力。美国海军采用先进的智能设备，同时采用电气控制和机械控制系统。在同一时间满足指定的性能，在分析极限强度上加大了投资，军用船舶的其他方面投资也有显着的减少。随着ASMP计划进一步研究，权力一体化“和”模块化“的方法来研究船舶电力发电、运输、转化、分配。利用共享设置海军的推进装置用电、日常的用电。各种武器装备输电发电和配电系统构成的综合电力系统，美国海军相当重视电力在船舰上的应用。

我国海军在研究这方面也不逊色，国内有先进设计理论和分析方法。对船舶承载能力和撞击能力做过实验分析。

5.总结

本文介绍了船舶结构极限分析的三种不同的方法，并进行了对比分析，最后得出结论：有限元分析方法耗时比较长，但是能够很高的分析和仿真船舶结构极限。

参考文献

[1]祁恩荣，彭兴宁.破损船体非对称弯曲极限强度分析首届船舶与海洋工程结构力学学术讨论会论文集，江西九江：

[2]徐向东，崔维成等.箱型粱极限承载能力试验与理论研究.船舶力学，2000，4(5)：36-43

[3]朱胜昌，陈庆强.大型集装箱船总纵强度计算方法研究.船舶力学，2001，5(2)：34--42

[4]郭昌捷，唐翰岫，周炳焕.受损船体极限强度分析与可靠性评估.中国造船，1998(4)：49—56

海洋气象的物理和动力机制研究就是海气相互作用的动力机制研究。

海气相互作用过程主要包括： （1）小尺度的湍流、涡旋，海气界面的湍流影响海气热通量，进而影响海洋大气的边界层结构；（2）中尺度和天气尺度的海气相互作用，其过程包括海陆风、锋面、台风以及风暴潮等；（3）大尺度的季风、信风、厄尔尼诺/南方涛动（El Niño/Southern Oscillation，ENSO）等。

近年来，人们日益认识到海气相互作用是长期天气和气候变化的重要因素，也是研究和预报海洋状况的关键，因而在这方面气象和海洋学家都做了大量研究。

2020年初夏，梅雨系统给江淮地区带来了长时间的异常强降水，降雨总量打破了1961年以来的记录，导致南方大部分地区的江河湖泊水位暴涨，持续引发了山洪、城市内涝、山体滑坡等自然灾害，其中以长江流域洪涝灾害最严重，安徽歙县的高考甚至因为洪涝灾害无法正常开始。

江淮地区入梅后，梅雨锋的维持和水汽来源是降水量大的原因。

高纬地区的单极型极涡较往年强度更强，而中纬度地区西风带活动频发，有利于冷空气南下；同时，弱的厄尔尼诺与赤道印度洋海温异常偏暖，引起太平洋副热带高亚显著偏强偏西，暖湿空气向北输运。冷空气和暖空气在江淮区域相遇形成稳定的梅雨锋。

太平洋、大西洋、印度洋以及极地等的 大尺度过程 均可以影响中国的梅雨系统。

Liu 等认为 北大西洋涛动（NAO）调制持续的冷暖锋 ，可引起极端梅雨事件。日本气象厅认为副热带高压与黄河流域高压脊的相互作用引起了日本和华中地区降水。2019年的超强印度洋偶极子引起2020年初的暖印度洋水体也可以引起我国的强降水。 Zhou 等认为2019年 秋季南印度洋的海洋罗斯贝波 是我国2020年的“暴力梅”事件的重要原因。

国家气候中心2021年以来已组织了三次会商商讨2021年汛期预测。国家气候中心、水利部、南京大学、南京信息工程大学等均 预测长江流域汛期为干旱年 。

中国海洋大学孙即霖教授在2021年气候预测报告中指出，受全球气候影响，2021年南亚夏季风建立较往年早，7月强南亚高亚引起南海上空的强对流，导致我国北方及华南沿海地区出现强降水，而江汉流域降水偏少；长江中下游将出现阶段性高温干旱。

东亚夏季风的发生日期、持续时间和总降水量均有显著的年变化。

Duan 等认为 青藏高原热力异常可以作为东亚夏季风起始的先兆 ， Li 等和 Hari 等发现印度许多地区的气溶胶光学深度 自2002年以来呈现下降趋势 。

印度洋—太平洋海表温度异常是调制东亚以及南亚夏季风爆发与降水的重要外部因素之一。

ENSO类型对季风降水影响也是研究热点 ， Fan 等指出中太平洋型ENSO在导致印度季风降水异常上发挥更为重要的作用。

Tseng 等发现在东亚冬季风的启动阶段，季风与黑潮锋面及周围大气存在一个直接的局地海气相互作用机制。

Abdillah 等认为热带大气季节内震荡（MJO）可以影响寒潮的路径，而寒潮对热带地区对流活动的影响会反过来影响MJO活动。

季风伴随的低压系统可引起强降水。 强低压系统伴随的次中尺度涡会增强来自阿拉伯海的动态升力、静态不稳定性和水分传输，为大气进行深度对流提供了先决条件。

如 Leung 等指出热带西印度洋的暖异常可 诱发一个热带印度洋和西太平洋之间弱于正常的Walker环流 ，进一步导致西北太平洋副热带高压偏东北-西南向，并在南海形成一个弱于常年的季风槽，在年际时间尺度上增强了华南地区的降水，抑制了中南半岛地区的降水。

亚洲夏季风预测模式的不确定性研究也有了一定进展。 如Xin等发现在中国东部地区，CMIP6在气候降水的空间相关性和标准差（SD）方面更有优势。

西北太平洋副热带高压和东亚高空对流层西风急流是东亚夏季降水系统的重要组成部分，与东亚夏季降水密切相关。

亚洲季风区的降水预测始终是热点问题。 Park等将偏置校正技术应用于区域气候模式（RCM），表明各分区未来年降水量平均值和极端值的变化在干旱区呈减少趋势，在湿润区呈增加趋势。

2020年，国内外学者在热带气旋的活动变化规律、热带气旋与海洋的相互作用以及热带气旋活动预报的数值模拟方面发表了一系列成果。

台风的活动也会受到大气环流和海温模态的影响。 太平洋经向模态指数影响台风的生成位置、频率和引导气流。印度洋偶极子正相位和强厄尔尼诺的共同作用引起了西阿拉伯海的大规模增温，有利于台风生成。

局地气象条件影响台风的强度。 如Lai等发现台风引起的局部降雨总量显著增加，且台风移动速度与局部降雨总量之间存在显著的反相关。在珠三角地区，移动速度较低且降雨总量较高的台风发生频率更高。

台风活动与局地上层海洋的背景条件相互影响。 热带海洋与大气边界层之间的非绝热加热是台风发生发展的重要能量来源，热带海洋上层海水的温度变化对于台风的形成、移动及耗散都具有关键作用。同时，海洋冷涡也会影响台风大气边界层的结构。

台风的数值预报模式具有不确定性。 学者发现增强分辨率的耦合模型有利于提高台风生成的可预测性。海表面温度预报模式的不确定性可能会严重影响南太平洋热带气旋预报的准确性。

中国的台风预报模式也取得了新的进展 ，如南海台风模式（TRAMS）形成了版本；Fumin等开发的动力-统计算法的集合预报模型（DSAEF）对热带气旋的累积雨量进行了预测。

在 台风观测方面 ，无人艇成功地穿越了三号台风“森拉克”中心，提供了时间分辨率高达1 min的实时观测数据，检测了台风过境时洋面各要素的详细变化过程，为台风预报、预警发挥了重要作用。

海气通量直接决定和调控近海面大气边界层内的动力学结构 ， 其中动量通量显著影响海流、海浪和风暴潮的产生。

海表面波浪与其上方风场的相互作用，会产生 动量通量在海气界面之间的双向传递 。

当近海表面处风速极小，并且海表面涌浪占优时，动量通量由海洋传递到大气，使得近海表面风速剪切增加，导致传统对数风廓线的方法难以准确计算该条件下的海气通量。

此后，不同研究者在理论模型和海气数值耦合模式的改进中考虑了 涌浪作用 。

当海表面以上风速为中低风速时，在海表面波浪处于风浪占优的情况下，大气将一部分能量传递到海表面波浪，使得海浪获得一部分动量。

风浪对海气通量的影响是海洋研究中最为基础的问题之一，关于这方面的讨论仍处于完善与补充中。

一些外海观测和实验室数据表明：当风速足够大时，海表面阻力系数不再符合传统模型的随着风速增加而增大的结果。大部分研究将这个现象归因为海洋飞沫液滴，并通过参数化传统模型中的海表面动力学粗糙长度来刻画这一现象。

风暴潮发生在世界各地的沿岸地区，通常强风和气压骤变导致海面异常升降，风暴涌浪对沿海设施造成巨大的破坏，甚至造成人员伤亡。

科学家对风暴潮的研究主要集中在沿海地区的影响方面。

通过 模型对风暴潮进行模拟 是当今研究风暴潮的主流方法。随着风暴潮模型的研究日渐深入，模型与实际结果之间的误差也在不断减小。

全球潮汐、风暴潮和波浪模型 被用于预测未来一个世纪的沿海地区突发性洪水。

气候变化和海平面上升给风暴潮的研究及其灾害预防带来了新的挑战 ，Cheikh等研究了多种风暴潮情景对沿海建筑物的影响，造成风暴潮和洪灾风险增加的主要原因是潮汐放大和飓风的加剧。

在气候变化上，西班牙坎塔布里亚大学环境研究所在未来海平面变化上提出， 风暴潮受全球和区域气候变化的影响 。

波浪与风暴潮的相互作用对灾害的加剧十分显著， 波-潮相互作用也是一个研究热点 。

研究人员利用耦合模型研究了台风诱发的风暴潮和波浪形成的效应，结果表明随着台风强度或台风尺寸的增加，有效波高和风暴潮的最大值以及扩展的空间范围都显著增加，但当台风强度大于55 m/s或台风规模大于40 km时，波浪对风暴潮的贡献趋于饱和。

借助高分辨率观测及数值模拟， 海洋气象学未来发展方向主要集中在以下几点： 全球大洋对我国天气变化的调制；台风与海洋中小尺度动力过程的动力耦合；海面粗糙度（波浪、泡沫）的量化以及波-潮相互作用的研究；梅雨、季风、降水、台风等过程的预测。

论文全文发表于《 科技 导报》2021年第1期