考虑流固耦合作用的舰船抗冲击仿真计算

!第"期汪!玉等：考虑流固耦合作用的舰船抗冲击仿真计算#$

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考虑流固耦合作用的舰船抗冲击仿真计算’

汪!玉"!周!璞%，$!刘东岳"!华宏星%!沈荣瀛%

（"&海军装备研究院!舰船所，北京!"’’#$；

%&上海交通大学振动、冲击、噪声国家重点实验室，上海!%’’’$’；

$&中船重工集团七一一研究所，上海!%’’’""）

!!摘!要!应用有限元方法，建立船体及流体的三维有限元模型，对大型船体在流固耦合作用下的反冲力冲击响应做出了数值预测，验证了大型有限元软件()*+*在计算复杂结构的响应中应用的可行性。

关键词：流固耦合，冲击，()*+*

中图分类号：,$’$-!,$’$.!!!!!文献标识码：(

’!引!!言

水面舰船在受到瞬间冲击力时，流体和舰船结构发生相互作用，必须考虑耦合问题。浸在水中的结构物与周围水的瞬态相互作用问题，它的早期瞬态（高频）响应主要是声幅射问题，即所谓平面波或曲面波近似解的问题；他的后期瞬态（低频）响应主要是“虚质量”问题。

现阶段对流固耦合系统进行分析有两种方法：一是解析/数值法，即对结构采用有限元离散，对流体则用近似解析描述，常用的是01123双渐近法（4((）［"］；二是数值计算法，包括有限元和边界元方法，567268719:;<12=68法。对线性流固耦合系统（线弹性结构和理想不可压缩流体），有限元方法通常有两类：一种是结构和流体以位移矢量为场变量的位移/位移格式［%，$］，另一种是结构位移矢量和流体场变量的混合型格式，如位移/压力格式［>］，位移/位移势格式和位移/速度势格式［-，?］。在有限元方法中，对于不可压缩流体，最常用的是用附涟水质量解耦［#，.］。

随着水中兵器的发展，要求更精确地描述出舰船受到冲击后，结构及流体的响应，常用的方法为用附涟水质量解耦。但是，这种有限元算法仅将流体与结构的相互作用采用附涟水质量代替，将重点放在结构力学上，即结构的响应，对于流体的运动及其作用并没有详细的考虑，尤其是没有详细考虑早期瞬态（高频）响应，因此流场的变化并未体现出，计算的结果缺乏完整性。为了得到完整的流固耦合系统的响应，在时域范围内，针对舰船所受到的反冲力，将流体方程和结构动力学方程用有限元法离散后联合求解，得出的方程用直接积分法求解，例如)1@A62B!法或C=<9 3D8"法来直接计算，得出结果。

"!理论基础

流固耦合振动问题是一个相当复杂、涉及结构动

力学和流体动力学的跨学科的问题。通常可根据不同类型的流固耦合问题的具体情况作一些假设，以简化数学模型，提高计算效率。由于船体作为大体积结构，与流体的相对运动不大，可把流体视为无粘，无旋的理想流体，但是需考虑结构的反射，绕射等对流场的影响。在文中，只考虑大体积结构的流固耦合振动，尽管可假设流体是无粘、无旋的理想流体，在大多数情况下仍不能求得解析解，通常只能够用数值解。只有极个别的很有规则形状结构才能用特殊函数，如圆柱体用E1331<函数，求得解析解。在文献［"］中，对流体的方程做出了详细的讲解，将流体的运动方程（)6F=19*GDB13方程）和流体的连续方程综合考虑，经简化后，得出了均匀、无粘、无旋的理想流体，在线性小扰动假设下，用压力和速度的方式表达流体的运动方程式，该方程与声波动方程一致。

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!’为在流体的压缩波速度；

&为流体的压缩模量；

$’为流体密度；

"为流体压力；

#为时间；

结构动力学的基本方程为：

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/为流体作用在结构上的动压力，/

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为除动压力以外，结构受到的激励。

振动与冲击

第%>卷第"期H,IJ)(5,K LMEJ(NM,)()4*O,PQ LD<&%>)D&"%’’##################################################

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’!自然基金资助项目（批准号!"’%#?’>’）

收稿日期：%’’$’#’?!修改稿收到日期：%’’>’"".

第一作者!汪玉!男，博士，"R?>年""月生

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