開題報告——朱卉馨 終極版

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1、南京航空航天大學畢業(yè)設(shè)計（論文）開題報告題目三維物體著水動態(tài)響應(yīng)分析學院航空宇航學院專業(yè)飛行器設(shè)計與工程學生姓名朱卉馨學號010610304指導教師金海波職稱副教授畢設(shè)地點南京航空航天大學2010年4月21日61.結(jié)合畢業(yè)設(shè)計（論文）課題任務(wù)情況，根據(jù)所查閱的文獻資料，撰寫1500～2000字左右的文獻綜述：三維物體著水，會激起周圍流體介質(zhì)的運動；反過來，流體介質(zhì)對結(jié)構(gòu)又施加各種反作用力，特別是在入水沖擊瞬態(tài)間（毫秒級）過程中會遭受巨大的沖擊載荷，這就涉及到結(jié)構(gòu)入水沖擊動力學問題，入水問題的研究對入水結(jié)構(gòu)強度設(shè)計起著重要的作用：在三維物體著水過程即從

2、空氣介質(zhì)侵入到流體介質(zhì)的過程中，會受到很大的流體砰擊載荷作用，可能導致局部失效。入水沖擊無論是在理論研究試驗研究還是數(shù)值計算方法研究方面都具有一定難度,國內(nèi)外在基于VonKarman和Wagner理論方法和數(shù)值分析方面已做了大量的研究工作。對于水陸兩用飛機而言，所設(shè)計結(jié)構(gòu)也必須能承受沖擊載荷的作用，然而撞水過程中，不僅結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生變形，而且自由液面還會產(chǎn)生大幅度波動，另外流固接觸面又不能事先確定，因此難度較大，關(guān)于撞水響應(yīng)的研究還有不少問題有待進一步深入。對于入水沖擊問題的研究，最早是1929年VonKarman采用附加質(zhì)量代替流體作用來分析入水沖擊問

3、題，提出附加質(zhì)量法計算入水沖擊載荷，將水上飛機降落過程中的浮舟理想化為二維楔形體入水過程，采用動量守恒定律推導了入水沖擊載荷的計算公式。為了采用動量守恒定律，VonKarman假設(shè)入水初期流體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)能量守恒，提出附加質(zhì)量的概念，認為侵水過程中，入水體減速喪失的動量轉(zhuǎn)化成所形成的流場的動量的增加量。1932年，Wagner將VonKarman的方法理論化，又考慮到?jīng)_擊時水面的抬升現(xiàn)象，提出了小斜升角模型的近似平板理論，成為現(xiàn)今理論研究的基礎(chǔ)。并且引入了水波影響因子，運用伯努利方程導出了沖擊壓力在結(jié)構(gòu)沾濕面上的分布狀況，使理論分析更符合實際問題。在此間

4、，Wagner提出的平板理論在求解入水過程中結(jié)構(gòu)受力狀況和流體動能得到廣泛應(yīng)用，同時他提出自相似解法，為以后其他相似解奠定了基礎(chǔ)。Mayo在Wagner理論基礎(chǔ)上，考慮了波浪對附加質(zhì)量的影響、沾濕面上的壓力分布以及引起最大沖擊載荷的影響，針對1929～1938年出現(xiàn)的大量理論分析水上飛機著陸問題，根據(jù)實際情況對理論結(jié)果作了相應(yīng)的修正。而Milwitzhy考慮到水上飛機到?jīng)_擊滑行過程中的俯仰力矩、滑行角與V型浮舟的斜升角等因素，采用無量綱分析方法簡化了數(shù)學模型。在50年代，針對入水問題的研究國外出現(xiàn)了第一個高潮，這個時候的特征是開始考慮到流體的壓縮效應(yīng)

5、。假設(shè)入水結(jié)構(gòu)物中聲速為無限大，流體是理想可壓縮勢流，按照平板入水沖擊問題來對待，在出現(xiàn)空泡以生最大沖擊載荷。Eroshin等對壓縮效應(yīng)進行了大量的實驗和理論研究，得出采用不可壓縮流體計算的比實際大的原因，6這是由于實際入水沖擊引起了流體可壓縮效應(yīng)所致。近期入水沖擊問題的研究是隨著數(shù)值分析方法不斷完善，使利用有限元對流體域和固體域單獨建立數(shù)值模型成為可能，將流體模型和結(jié)構(gòu)模型耦合為一個水彈性模型，可以解決復雜三維幾何結(jié)構(gòu)入水問題，也可以處理流體可壓縮性、非線性自由液面邊界條件以及結(jié)構(gòu)變形等問題。在國內(nèi)，張效慈將入水問題分為撞水和砰擊兩種現(xiàn)象，它們既有

6、共性也有異性。結(jié)構(gòu)和流體之間的相互作用是入水問題的共性；而它們的異性則是，撞水是單次性的現(xiàn)象，入水速度高達幾十米每秒甚至百米每秒，而砰擊是結(jié)構(gòu)和流體周期性的作用現(xiàn)象，即便高速雙體船的入水速度也不是很高。但不管是撞水現(xiàn)象還是砰擊現(xiàn)象，在分析中都要對非線性自由液面、沖擊引起的液面隆起和飛濺進行簡化處理，并且研究對象大多是簡單的二元模型，在分析入水沖擊問題中一般基于勢流理論，流體運動的速度勢滿足Laplace方程：陳學農(nóng)等利用時間步進法和邊界元方法，分析平頭物體在垂直和斜入水情況下的入水動力學過程，將隱式時間差分法運用到數(shù)值計算上。顧懋祥等嚴格采用滿足流體

7、力學和彈性力學的數(shù)值計算方法，在時間域中用步進法，殼體固體域采用錐殼單元有限元方法，用差分方法求解流體域控制方程，得出入水沖擊力和流場變化。李森虎等采用質(zhì)點網(wǎng)格法針對二維平頭結(jié)構(gòu)物入水撞水進行模擬，并考慮到氣墊效應(yīng)以及入水空泡現(xiàn)象。鄭際嘉等進行了剛性圓板自由落體入水的數(shù)值分析。錢勤等提出了一種混合數(shù)值方法求解撞水問題，任意的拉格朗日歐拉邊界元的有限元混合方法，充分證明邊界元方法在進行入水問題的數(shù)值分析中的優(yōu)越性。王冰等利用邊界元方法耦合非線性自由液面步進法求解入水問題，給出圓柱的撞水現(xiàn)象和楔形剛性體砰擊現(xiàn)象的算例。進行了剛性圓板自由落體入水的數(shù)值分析

8、。在國外，近來入水問題的研究理論上基本遵循Wagner漸近匹配近似理論。入水問題研究中，無論從理論研究到數(shù)值