《Ocean Engineering》：Coupled hydroelastic responses of horizontal bending and torsion of a flexible large ship using a time domain method
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二维时域方法耦合振动分析在超大型集装箱船中的应用，通过薄壳理论和边界元法建立结构-流体耦合模型，验证了方法在预测水平弯曲与扭转耦合响应中的准确性，并与实验及3D商用软件结果对比，为ULCS设计提供基准数据。
Vijith PP | Suresh Rajendran
印度理工学院马德拉斯分校海洋工程系，金奈，600036，印度
摘要
对于薄壁开放式结构，由于截面不对称以及重心与剪切变形中心之间的偏心距，横向/水平和扭转振动常常会耦合。本文使用二维时域（2D TD）方法讨论了这种耦合振动对大型集装箱船的影响。反对称变形模式之间的耦合程度会随着重心和剪切中心位置的不同而变化。结构模型基于Timoshenko梁理论和薄壁壳理论，采用一维有限元（FEM）方法建立；水动力/耐波性模型则采用条带理论和边界元方法构建。FEM模型中考虑了船体截面的翘曲效应。水动力载荷的非线性通过船体非线性方法进行考虑。将耐波性求解器在具有前进速度的斜波中的性能与3D频域求解器Capytaine进行了比较。通过将实验模型的固有频率和模态形状与全尺寸结果以及FEM求解器Abaqus的2D和3D结果进行比较，验证了求解器的准确性。使用所提出的TD求解器进行了数值模拟，并评估了各种规则和不规则海浪中的水平和扭转载荷，并与实验结果进行了对比。本文最后总结了分析结果，并强调了求解器的鲁棒性及其局限性。现有结果可作为进一步数值研究的基准。
引言
过去二十年里，海上产业取得了显著的技术进步，包括开发了非常大的浮动结构（VLFS），如机场、风力发电场、岛屿和超大型集装箱船。这一进步的一个关键里程碑是海上运输的发展。对集装箱运输需求的增加导致了更大载重能力的船舶的出现。目前服役的最大型集装箱船是超大型集装箱船（ULCS），能够装载超过24,000个二十英尺当量单位（TEUs）的货物。目前的纪录保持者是MSC Irina，其载量为24,346 TEUs，长度为399.9米，宽度为61.3米。这些船舶由于具有较高的细长比而表现出较高的结构灵活性，同时低块系数和明显的船首膨胀增加了它们出现非线性响应的倾向。此外，在恶劣海况下高速航行会增大结构载荷，进一步复杂化了设计。当受到海浪作用时，ULCS船舶会经历纵向、垂直、水平和扭转振动。惯性力、水动力力和弹性（结构）力之间会产生相互作用，这种现象称为水弹性。这些力可能导致诸如撞击引起的“鞭打”或共振引起的“弹簧式”振动，其中波频接近船舶的固有频率。因此，在设计阶段研究船舶的水弹性特性对于确保船体梁的强度和解决疲劳相关问题至关重要。对于具有封闭截面和典型舱口的船舶（如油轮），水平弯矩（WHBM）和扭转弯矩（WTM）不是主要问题，因为这些船舶通常具有足够的强度来应对此类变形。然而，集装箱船由于有大面积的甲板开口和舱口，其扭转刚性较低。此外，剪切中心远离重心，这会导致水平弯曲和扭转响应之间的耦合，给船体设计带来了挑战。2007年的MSC Napoli事故和2013年的MOL Comfort事故表明，在船舶设计过程中可能低估了载荷。因此，需要一种可靠的方法来评估实际的扭转和弯曲载荷。目前已有成熟的2D和3D基于边界的数值求解器，每种方法都有其优缺点，这使得难以评估结果的准确性。ISSC的基准研究显示，对同一船舶应用不同的规范可能会得出不同的波浪诱导运动和载荷结果，给船舶设计师带来了不确定性。因此，进一步使用数值求解器进行验证和研究是必要的。
章节摘录
关于波浪诱导载荷对船舶水弹性效应的数值研究
自2000年以来，已经开发了许多数值方法来评估波浪对船舶响应的水弹性效应。这些方法在准确性和计算复杂性方面各不相同。这些方法通常包括两个部分：一个水动力（耐波性）求解器和一个结构求解器。根据水动力公式，这些方法大致可以分为基于势流的边界元方法（BEM）和基于粘性流的计算流体动力学（CFD）方法。
时域中水弹性模型的理论与数值建模
根据文献综述（Li等人，2024年），该综述指出需要一种可靠的数值求解器来准确预测大型船舶的耦合水弹性载荷，本章介绍了为实现这一目标而采用的方法论。重点在于开发一个理论框架和相应的数值模型，以捕捉由波浪力引起的刚体运动和弹性结构（水弹性）响应。
船舶模拟的数值设置描述
为了验证代码并对船舶的耦合水弹性振动进行进一步研究，考虑了在马德里CEHIPAR船舶动力学实验室进行的实验中使用的全尺寸灵活超大型集装箱船模型。Marón和Kapsenberg（2014）提供了实验模型的详细信息。他们的实验是在同一ULCS的1:80比例模型上进行的。
数值结果与讨论
斜波会引起船舶复杂的运动，包括横摇、纵摇、偏航、横向弯曲和扭转。由于船舶截面的剪切中心与重心之间的偏心距，横向和扭转响应之间存在耦合，这使得预测比对称响应更加困难。为了解决这个问题，基于先进结构理论的2D-TD Flex数值求解器用于估计耦合振动。对超大型集装箱船进行了详细的数值研究。
结论
开发了一种二维时域水弹性求解器，用于预测大型细长船舶上的反对称（耦合的水平和扭转振动）水弹性响应及其相应的载荷。通过使用超大型集装箱船（ULCS）对其准确性进行了验证，证明了该求解器能够捕捉结构灵活性对波浪诱导载荷的影响，特别是水平弯曲和扭转。在规则和不规则海浪条件下进行的初步研究表明……
CRediT作者贡献声明
Vijith PP：撰写——审阅与编辑、撰写——初稿、验证、软件开发、方法论制定、概念化。Suresh Rajendran：撰写——审阅与编辑、监督、软件开发、方法论制定、资金获取、概念化。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
作者感谢Anusandhan国家研究基金会（ANRF）在CRG/2022/006482号资助项目下提供的财务支持。
