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申请/专利权人：华南理工大学

摘要：本发明公开了一种CFD–FEM–SPH四向耦合的载液船舶水弹性响应模拟方法，包括以下步骤：S1、在FEM求解器中建立船体结构三维有限元模型，对船体结构进行有限元网格划分，并定义各类结构单元的参数及施加约束与载荷；S2、在CFD求解器中建立数值水池模型，建立水池流体域和船体外壳模型，设置各项条件；S3、在SPH求解器中建立液舱晃荡模型，对液舱进行属性设置；S4、设置CFD–FEM–SPH四向流固耦合的数据传递方法；S5、程序运行求解及数据导出。本发明方法将船体运动、波浪载荷、液舱晃荡、结构响应的共同作用综合考虑，充分考虑各类流固耦合问题，能够更精确地模拟载液船舶在波浪中航行时的运动和受力情况。

主权项：1.一种CFD–FEM–SPH四向耦合的载液船舶水弹性响应模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、在FEM求解器中建立船体结构三维有限元模型，对船体结构进行有限元网格划分，并定义各类结构单元的参数及施加约束与载荷；S2、在CFD求解器中建立数值水池模型，建立水池流体域和船体外壳模型，设置各项条件；S3、在SPH求解器中建立液舱晃荡模型，对液舱进行属性设置；S4、设置CFD–FEM–SPH四向流固耦合的数据传递方法；S5、程序运行求解及数据导出；CFD求解器用于模拟数值水池波浪场以及船体外部的流体流动，SPH求解器用于模拟船体液舱内部的流体晃荡流动，FEM求解器用于模拟船体结构及液舱舱壁在流体力作用下的运动和结构变形；步骤S1具体为：在FEM求解器中建立船体结构的三维有限元模型，包括船体外壳、加强骨材以及液舱舱壁结构；船体结构有限元网格划分，针对船体外壳和液舱舱壁进行壳单元网格划分，针对加强骨材进行梁单元网格划分；船体结构材料属性定义，定义船体外壳、加强骨材以及液舱舱壁的质量、密度、刚度、弹性模量、泊松比以及结构阻尼；施加约束和载荷，结合船体运动自由度对网格节点施加位移约束，根据网格所受载荷类型施加相应载荷；步骤S2具体为：在CFD求解器中建立水池流体域，水池流体域为长方体空间域，由4个侧壁面、底面和顶面共6个面围成；建立船体外壳模型，船体外壳由船体板和甲板组成；设置船体的重量、重心位置和转动惯量，设置船体在流体域中的位置；采用流体体积法将水池流体域划分为水和空气两部分；对水池流体域进行网格划分，并在船体和自由面附近进行网格加密；设置网格变形方式，分别采用重叠网格和变形网格技术模拟船体运动和结构变形，实现网格的混合变形；设置边界条件，水池流体域的4个侧壁面和底面采用速度入口，顶面采用压力出口，船体外表面采用无滑移壁面；设置造波与消波模式，采用动量源项进行数值造波，采用强迫波力技术进行波形控制与消波；设置流体反向平动速度从而实现船舶前进航速；步骤S3具体为：在SPH求解器中建立液舱的几何模型，液舱具体为多个舱壁面围成的空腔区域，其内部填充部分液体；流体粒子填充与属性设置，对液舱进行水粒子填充与生成，设置重力加速度、流体密度、粘性类型、粘性系数以及粒子间距；设置边界条件，设置舱壁的属性，设置粒子的类型和生成模式；步骤S4具体包括：设置CFD求解器与FEM求解器之间的数据传递方法；设置SPH求解器与FEM求解器之间的数据传递方法；设置CFD求解器与FEM求解器之间的数据传递方法具体为：CFD求解器与FEM求解器进行双向耦合中，CFD求解器将作用于船体表面上的流体压力和剪切力传递给FEM求解器；FEM求解器根据外部流场力、刚体惯性力以及结构弹性力对船体结构进行动力分析，并将所得到的船体运动和变形反馈给CFD求解器，用于更新流场信息；FEM模型中的各个网格上的流体力通过高斯面积分得到，每个高斯点处的流体压力定义为与其距离最近的CFD体网格节点处的压力值；CFD体网格节点的位移和变形则通过其周围FEM网格节点的位移的形函数插值获取；设置SPH求解器与FEM求解器之间的数据传递方法具体为：设置SPH求解器与FEM求解器双向耦合中，SPH求解器将作用于舱壁表面上的流体压力和剪切力传递给FEM求解器；FEM求解器将液舱晃荡载荷添加到全船结构的受力分析中，并考虑液舱舱壁的结构变形效应，将液舱的运动与变形情况反馈给SPH求解器，用于更新舱壁振动和变形信息；FEM模型中的各个网格上的流体力通过高斯面积分得到，每个高斯点处的流体压力定义为与其距离最近的SPH粒子处的压力值；设置CFD–FEM–SPH求解器的四向流固耦合方法，设置CFD求解器与FEM求解器进行双向耦合并相互传递数据，设置SPH求解器与FEM求解器双向耦合并相互传递数据，CFD和SPH求解器之间不发生耦合与数据交换；步骤S5具体为：设置联合模拟方法为隐式的分区交错耦合算法；程序运行求解，设置计算时间步长、总模拟时长、每个时间步长内的数据交换次数，并同步运行三种求解器进行数值模拟计算；输出结果数据，在CFD求解器中输出波面高程、船体表面压力，在SPH求解器中输出液面高度、舱壁压力，在FEM求解器中输出船体运动、剖面载荷、局部应力、结构变形。

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