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1、 毕业设计（论文）开题报告题 目三维物体着水动态响应分析学 院 专 业飞行器设计与工程学生姓名 学号 指导教师 职称 毕设地点 2010年 4月21日1. 结合毕业设计（论文）课题任务情况，根据所查阅的文献资料，撰写15002000字左右的文献综述：三维物体着水，会激起周围流体介质的运动；反过来，流体介质对结构又施加各种反作用力，特别是在入水冲击瞬态间（毫秒级）过程中会遭受巨大的冲击载荷，这就涉及到结构入水冲击动力学问题，入水问题的研究对入水结构强度设计起着重要的作用：在三维物体着水过程即从空气介质侵入到流体介质的过程中，会受到很大的流体砰击载荷作用，可能导致局部失效。入水冲击无论是在理论研究
2、试验研究还是数值计算方法研究方面都具有一定难度,国内外在基于Von Karman和 Wagner理论方法和数值分析方面已做了大量的研究工作。对于水陆两用飞机而言，所设计结构也必须能承受冲击载荷的作用，然而撞水过程中，不仅结构会产生变形，而且自由液面还会产生大幅度波动，另外流固接触面又不能事先确定，因此难度较大，关于撞水响应的研究还有不少问题有待进一步深入。对于入水冲击问题的研究，最早是1929年Von Karman采用附加质量代替流体作用来分析入水冲击问题，提出附加质量法计算入水冲击载荷，将水上飞机降落过程中的浮舟理想化为二维楔形体入水过程，采用动量守恒定律推导了入水冲击载荷的计算公式。为了采
3、用动量守恒定律，Von Karman 假设入水初期流体结构系统能量守恒，提出附加质量的概念，认为侵水过程中，入水体减速丧失的动量转化成所形成的流场的动量的增加量。1932 年，Wagner将Von Karman 的方法理论化，又考虑到冲击时水面的抬升现象，提出了小斜升角模型的近似平板理论，成为现今理论研究的基础。并且引入了水波影响因子，运用伯努利方程导出了冲击压力在结构沾湿面上的分布状况，使理论分析更符合实际问题。在此间，Wagner提出的平板理论在求解入水过程中结构受力状况和流体动能得到广泛应用，同时他提出自相似解法，为以后其他相似解奠定了基础。Mayo在 Wagner 理论基础上，考虑了波
4、浪对附加质量的影响、沾湿面上的压力分布以及引起最大冲击载荷的影响，针对19291938 年出现的大量理论分析水上飞机着陆问题，根据实际情况对理论结果作了相应的修正。而Milwitzhy考虑到水上飞机到冲击滑行过程中的俯仰力矩、滑行角与 V 型浮舟的斜升角等因素，采用无量纲分析方法简化了数学模型。在 50 年代，针对入水问题的研究国外出现了第一个高潮，这个时候的特征是开始考虑到流体的压缩效应。假设入水结构物中声速为无限大，流体是理想可压缩势流，按照平板入水冲击问题来对待，在出现空泡以生最大冲击载荷。Eroshin 等对压缩效应进行了大量的实验和理论研究，得出采用不可压缩流体计算的比实际大的原因，
5、这是由于实际入水冲击引起了流体可压缩效应所致。近期入水冲击问题的研究是随着数值分析方法不断完善，使利用有限元对流体域和固体域单独建立数值模型成为可能，将流体模型和结构模型耦合为一个水弹性模型，可以解决复杂三维几何结构入水问题，也可以处理流体可压缩性、非线性自由液面边界条件以及结构变形等问题。在国内，张效慈将入水问题分为撞水和砰击两种现象，它们既有共性也有异性。结构和流体之间的相互作用是入水问题的共性；而它们的异性则是，撞水是单次性的现象，入水速度高达几十米每秒甚至百米每秒，而砰击是结构和流体周期性的作用现象，即便高速双体船的入水速度也不是很高。但不管是撞水现象还是砰击现象，在分析中都要对非线性
6、自由液面、冲击引起的液面隆起和飞溅进行简化处理，并且研究对象大多是简单的二元模型，在分析入水冲击问题中一般基于势流理论，流体运动的速度势满足Laplace 方程： 陈学农等利用时间步进法和边界元方法，分析平头物体在垂直和斜入水情况下的入水动力学过程，将隐式时间差分法运用到数值计算上。顾懋祥等严格采用满足流体力学和弹性力学的数值计算方法，在时间域中用步进法，壳体固体域采用锥壳单元有限元方法，用差分方法求解流体域控制方程，得出入水冲击力和流场变化。李森虎等采用质点网格法针对二维平头结构物入水撞水进行模拟，并考虑到气垫效应以及入水空泡现象。郑际嘉等进行了刚性圆板自由落体入水的数值分析。钱勤等提出了一
7、种混合数值方法求解撞水问题，任意的拉格朗日欧拉边界元的有限元混合方法，充分证明边界元方法在进行入水问题的数值分析中的优越性。王冰等利用边界元方法耦合非线性自由液面步进法求解入水问题，给出圆柱的撞水现象和楔形刚性体砰击现象的算例。进行了刚性圆板自由落体入水的数值分析。 在国外，近来入水问题的研究理论上基本遵循Wagner渐近匹配近似理论。入水问题研究中，无论从理论研究到数值分析，还是从经验公式到匹配渐近展开方法，常常假设水面在碰撞接触时候是水平自由液面，而忽视流固交界面之间的气垫效应。Cointe等和 Howison等对小斜升角楔形体入水试验中存在压力振动现象进行分析，认为忽略气垫效应不会对计算
8、结果产生很大差异。Wilson 等对入水冲击初始阶段交界面出现的气垫层进行建模，通过无量纲方法利用渐近理论得到解析解。Yettou 等通过对五种楔形体模型以自由落体方式入水冲击进行试验，得出影响压力系数的重要因素，分析了各因素对冲击载荷变化的影响。入水动力学问题必须考虑入水结构受到冲击载荷作用下的失稳和屈曲，并预测产生屈曲的临界冲击载荷峰值。入水冲击屈曲准则是通过试验分析细长体在周期性入水冲击载荷作用下的动态屈服，并着重分析不同加载方式和长细比对屈服行为的影响给出的。在数值计算方面，所有的数值计算都在简化的无限求解域上进行。Anghilei等利用有限元分析刚性球垂直入水。Faltinsen采用
9、数值方法建立了两种数值模型，通过入水跌落试验来验证理论结果和数值结果。Korobkin等将边界元和有限元差分法应用到悬浮体受到冲击引起的液流的非定常问题的分析上。Donguy等用一种数值分析方法对二维和三维、刚性体和弹性体入水以及耦合非耦合情况进行详细分析，这是一种变化的有限元公式，在迭代过程中求得沾湿修正因子，通过流固耦合矩阵来处理固体和流体之间的相互作用，认为Cionte和Howsion等计算的二维楔形体入水产生的最大冲击水动压力比实际的高。Park提出了基于无粘势流理论的切片数值方法，分析计算高速入水的冲击载荷和入水过程可能产生的忽扑行为。Battistin等讨论二维对称体垂直入水过程中
10、，作用在冲击结构物上的水动力载荷。引用速度势理论和非线性边界积分,在沾湿面上应用 Neumann条件，在自由液面上用Dirichlet 条件，采用运动学和动力学条件，通过对非定常的伯努利方程进行积分得到自由液面上的速度势，解决了冲击产生的射流导致局部奇异性问题。在势流理论基础上采用边界元和浅水域入水射流近似方法分析入水水动力问题，在射流区域建立了可以提供自由面形状和沾湿面压力分布的模型，简化射流厚度对速度场的极大影响，采用了自相似理论控制边界值问题。Seif1等对入水冲击问题涉及的空气、液体和固体三相域进行分析，在对称和非对称入水冲击现象下利用流体体积法计算自由液面的位置变化。Takagi将椭
11、物体视为二维入水体，采用位势方法精确计算附加质量、入水速度和侵深，计算结果更符合三维砰击入水的实际过程。Oger 等采用基于光滑质子水动力学的无网格方法处理入水冲击问题中涉及到的流体可压缩性，在耦合程序中利用 Runge Kutta 和 SPH 法不断更新速度和位移信息计算作用在刚性体上的水动力压力。2. 毕业设计任务要研究或解决的问题和拟采用的方法：本次毕业设计所要解决的问题是：1. 学习并掌握PATRAN软件的使用方法，了解有限元的基本概念和理论；2. 学习并掌握DYTRAN软件的使用方法，掌握流固耦合问题的建模和分析方法；3. 对三维结构进行建模，并分析其着水的动态响应；对于这个题目的解
12、决方案，首先要学习两个软件，即PATRAN软件和DYTRAN软件。PATRAN软件是一款建模软件，主要用于有限元分析的初期工作，这里主要计算要用的软件是DYTRAN软件，DYTRAN软件能将拉格朗日求解器与欧拉求解器联合起来使用，能够处理各种流固耦合问题。DYTRAN软件的拉格朗日求解方法就是把节点固定在分析对象上，通过连接有关节点形成单元，再由单元组成网格。当分析对象变量是，节点随着材料而移动，同时单元也随之变形，因此，拉格朗日方法计算的是质量恒定的单元的运动，它主要用于对结构的分析。而当采用欧拉方法时，节点固定在空间中，再由相关节点连接而成的单元仅仅是空间的划分。欧拉网格仅仅是一个固定的参
13、照系，分析对象的材料在网格中流动，材料的质量，动量及能量从一个元素流向另一个元素。因此，欧拉算法计算的是材料在体积恒定的元素中的运动，它主要用于流体流动问题的分析以及固体材料发生很大的变形的情况。流-固耦合分析主要用于解决流体与结构之间的相互作用效应。我要做的毕业设计是三维物体的着水响应问题，应该应用耦合算法来分析。关于流固耦合算法就是使拉格朗日网格和欧拉网格之间相互作用。从而使得程序可以分析复杂的流固耦合问题。最初，欧拉求解器与拉格朗日求解器是分开的，如果不定义耦合关系，即使拉格朗日单元恰好处在欧拉网格范围内，也不会对欧拉材料的流动产生任何影响，同时自身也不会收到来自欧拉材料的力的作用。耦合关系的定义使得程序计算欧拉与拉格朗日两部分单元之间的相互作用，从而能够分析复杂的流固耦合问题。指导教师意见（对课题的深度、广度及工作量的意见和对毕业设计（论文）结果的预测）： 指导教师签字： 年 月 日系审查意见： 负责人签字： 年 月 日
