基于CFD-非线性有限元双向耦合的集装箱船波浪下结构崩溃数值仿真

作者：刘维勤; 张亚强; 夏天禹; 陆晔; 杨萌; 吴卫国; 宋学敏^*

来源：中国舰船研究, 2023, 18(06): 134-142.

DOI：10.19693/j.issn.1673-3185.03028

• 结构崩溃
• 双向耦合
• 非线性有限元法
• 波浪载荷
• 数值仿真

[目的]充分考虑载荷非线性和物面非线性因素的影响，研究集装箱船在波浪下结构响应及动态结构崩溃模式。[方法]首先，基于CFD平台建立船舶水动力模型，采用重叠网格法实现船体水动力模型动边界网格与远场流体域的欧拉网格间的匹配，在流体全域内采用流体体积法模拟自由面非线性，在流场全域内求解三维N–S方程，实时求解非线性波浪载荷；然后，建立可模拟船舯崩溃行为的船舶非线性有限元模型，基于显式动力学非线性有限元法计算包含塑性和屈曲的时域崩溃响应；最后，实现水动力模型与结构有限元模型在湿表面上的流体压力和节点位移的传递，以此进行CFD求解器与非线性有限元求解器间的双向迭代耦合，并实时计算4 600 TEU集装箱船结构崩溃过程中的非线性波浪载荷和结构崩溃响应。[结果]结果显示，在极端波浪下上部至中部结构广泛进入塑性状态，主甲板、舷侧板、甲板纵骨和舷侧纵骨等构件在波浪下出现明显的屈服及失稳，甲板纵骨和舷侧纵骨等骨材发生严重的侧向失稳，船体结构丧失了承载能力。[结论]所提方法可较准确求解结构响应及动态崩溃模式，可作为研究船舶结构崩溃响应的一种新方法。

• 单位
  中国舰船研究设计中心; 武汉理工大学; 中国船舶科学研究中心