摘要：

本文檔采用LS-DYNA對救生艇高空滑落入水問題進行數值分析。滑落入水問題的難點主要表現在如下三個方面：（1）大變形流體區域的有限元描述；（2）真實變形救生艇的有限元描述；（3）結構與流場的流固耦合處理。本文采用歐拉算法描述大變形的流體區域，結構采用拉格朗日算法進行描述，結構和流場之間的耦合方式為基于罰函數的接觸類方法。

本文檔首先簡單的介紹了救生艇高空滑落背景和數值計算核心的設置。接著給出了動水壓力載荷作用下復合材料救生艇的動力學響應，并對復合材料結構入水的安全性能進行評估。

1. 救生艇高空滑落的背景

本文檔的背景為：復合材料救生艇從船舶或者海洋平臺上滑落，復合材料救生艇以一定的傾角，一定的速度撞擊水面，圖1和圖2所示。復合材料救生艇在水動沖擊載荷的作用下，結構將發生變形。過高的水動沖擊載荷將導致救生艇發生破壞，危及到乘員的生命安全。

動力學沖擊載荷作用下的結構安全是現代船舶設計最需要考慮的問題。復合材料救生艇的動力學響應以及結構安全性能評估異常復雜，這主要是由沖擊區域流體高度變形特性以及變形結構和流體區域之間的流固耦合方式所決定的。如何描述和求解流體與可變形界面耦合問題都是一個非常具有挑戰性的課題。

針對救生艇入水這一具體問題，目前主要的流體-結構耦合處理方法主要包括：

1) 傳統拉格朗日接觸方法;

2) 自適應歐拉網格(Adaptive Eulerian Mesh)邊界方法;

3) 水平集方法（ Lever Set Mothod）；

4) 基于光滑粒子流體動力學（ Smooth Particle Hydrodynamics, SPH）的“核函數”耦合方法;

5) 基于拉格朗日-歐拉算法的“罰函數” 接觸方法;

上述方法的各有優缺點，不是寫科技論文，僅對將要采用的方法進行簡單的介紹，其它的方法就此略過。

基于拉格朗日-歐拉算法的“罰函數” 接觸方法。拉格朗日-歐拉算法的網格處理方法兼具拉格朗日和歐拉方法的優點，在結構邊界運動的處理上引進了拉格朗日的特點，能夠有效的跟蹤物質結構邊界的運動。在內部網格的劃分上，吸取歐拉方法的長處，使內部網格單元獨立于物質實體而存在。在物質域和空間域外引進了參考域，通過在參考域網格上的求解，既解決了拉格朗日描述下材料可能的嚴重扭曲，又解決了歐拉描述下移動邊界引起的復雜性。流體與結構間的相互作用采用罰函數耦合方法進行控制。

基于 ALE 的罰函數耦合方法是使用最多的方法。

其優點表現為：

l  能夠兼顧拉格朗日和歐拉算法的優點，能夠解決結構的非線性問題（幾何非線性、材料非線性），同時又能對流體運動特性進行準確的描述[30]。

l  能夠解決結構破口流體涌入后二次沖擊作用下的結構響應問題[30]。

l  通過設置流體狀態方程的截斷壓力，可以粗略的描述尾部的空化效應[31]。

l  通過拉格朗日-歐拉罰函數耦合算法定義結構-流體間的相互作用，可以傳遞流體的壓縮和膨脹引起的壓力變化，故可以計入水上迫降尾部的伯努利效應[31]。

其缺點表現為；

l  拉格朗日-歐拉罰函數耦合算法通過流體滲漏和接觸剛度定義流體-結構之間的相互作用力，極容易引起流體滲漏。

l  流體壓力和結構壓力載荷不統一，通過壓力傳感器單元采集到的壓力信號波動較大，并且壓力在相鄰空間的分布連續性很差。

安全性評估報告見

http://www.yqgqt.org.cn/content/post/265800