بخشی از مقاله
چکیده
بررسی اندرکنش سازه و سیال برای یک شناور دوبدنه که تحت تأثیر امواج منظم مورب قرار دارد از اهداف اصلی این پژوهش قلمداد میشود. به منظور نیل به این هدف از روشها و تئوریهای مختلف و ایجاد ارتباط منطقی بین روشهای مختلف عددی مبتنی بر تئوری نواری، دینامیک سیالات محاسباتی و المان محدود با استفاده از نرمافزارهای ترایبون، اوپنفوم و آباکوس بهره گرفته میشود. در ابتدا اندرکنش مربوط به برخوردگُوِهی الاستیک به سطح آب بررسی و مورد صحتسنجی قرار میگیرد، تا در نهایت بتوان به راهکار و روشی استاندارد و با جوابهای بهینه به منظور بررسی برخورد سازهی شناور به آب دست یافت. از آنجایی که در مبحث برخورد شناور به آب در اثر موج منظم، اثرات دینامیکی و رفتار دریامانی شناور از اهمیت به خصوصی برخوردار هستند، از نرمافزار ترایبون به منظور بررسی حرکات دینامیکی شناور در موج منظم مورب استفاده میشود. در نهایت با بهرهگیری از روشهای ذکر شده میتوان مقادیر تنش و کرنش در سازهی شناور دست یافت، که اطلاع از مقادیر این متغیرها به منظور طراحی سازهای از اهمیت ویژهای برخوردار میباشد.
مقدمه
در پژوهش حاضر در ابتدا به تبیین روشی بر مبنای کوپل سازه و سیال پرداخته شده است. بعد از استانداردسازی و صحتسنجی روش مورد استفاده، به بسط روش برای بررسی پدیدهی کوبش در شناور دو بدنه پرداخته میشود. روند بررسی شناور با به کارگیری نرمافزار ترایبون به منظور حل عددی مربوط به شرایط و حرکات دینامیکی شناور در مواجهه با امواج آغاز خواهد شد. بر این اساس با تحلیل شرایط وقوع کوبش شناور و سرعت و زاویهی برخورد و انتقال مشخصات حاصله به نرمافزار اوپنفوم، و با در نظر گرفتن بخشی از مقطع شناور به عنوان مقطع بحرانی با استفاده از قوانین مؤسسات ردهبندی به تحلیل شناور در حوزهی هیدرودینامیک پرداخته میشود.
حل عددی سازه و سیال و کوپل بین این دو حوزهی حل، با این روند شکل میگیرد که خروجیهای فشار ناشی از برخورد جسم صلب با سیال که از حل هیدرودینامیکی مسأله با استفاده از نرمافزار اوپنِفوم بدست میآیند به عنوان دادههای ورودی برای نرمافزار آباکوس در نظر گرفته میشود، تا در هر گام زمانی این نتایج بین دو نرمافزار مبادله شده و در نهایت تنشهای حاصله و کرنشهای مربوط به برخورد مقطع شناور تعیین گردد. روشی که در این مقاله از آن بهره گرفه خواهد شد مبتنی بر کوپل یکطرفه خواهد بود. کوپل یکطرفه از لحاظ هزینهی محساباتی نسبت به کوپل دوطرفه دارای برتری ویژهای خواهد بود. به همین منظور در بیشتر تحلیلهای صنعتی و به طور اخص در مراحل اولیهی طراحی از این روش استفاده خواهد شد. در ادامه مشاهده میگردد که در این مسأله، نتایج حاصل از کوپل یکطرفه نیز تا حد زیادی قابل قبول میباشد.
مسألهی ورود یک شناور دو بدنه به آب در واقع مدل توسعه یافته از ورودگُوِه به آب است، که میتوان با تعمیم آن به مقاطع شناورهای مختلف از نتایج بدست آمده بهره گرفت. مسألهیورود جسمِ صلب به آب اولین بار توسط فونکارمن در سال 1929 مورد بررسی قرارگرفت.[1] وی با استفاده از تئوری مومنتوم و جرم اضافه اولین مدل ریاضی برای محاسبهی بیشینهی فشار وارد به جسم صلب را ارائه کرد. واگنر نیز در سال 1932 اثر بالاآمدگی1 سطح آب را به مسأله اضافه و مدل ریاضی دقیقتری بدست آورد.[2] این نتایج بعنوان پایهای جهت تحقیقات در سالیان بعد مورد استفاده قرار گرفت. در طول چند دهه از روشهای مختلف عددی و تحلیلی برای بررسی عوامل تأثیرگذار در دقت نتایجِ خروجی و ارتقاءِ حل در مسألهی ورودگُوِه به آب و پدیدهی کوبش استفاده شد. نظیر اینکه تا قبل از سال 1987معمولاً اثرات جاذبه در اینگونه مسائل در نظر گرفته نمیشد، ولی گرینهو در سال 1987 مسألهی دو بعدی ورودگُوِه به سیال را با در نظر گرفتن جاذبه مورد بررسی قرار داد .[3] ایشان به این نتیجه رسید که جز در پاشش جت در پیرامون ناحیهی تماس، جاذبه میتواند نادیده گرفته شود
. در واقع در یک حالت کلی میتوان نتیجه گرفت که اگر رابطهی :V - V > 2g سرعت برخورد :t زمان برخورد - برقرار باشد، میتوان اثرات جاذبه را نادیده گرفت. دوبروِل کایا توانست با در نظر گرفتن دستهای از معادلات غیرخطی یکپارچه و حل این معادلات به صورت عددی، این نوع از مسائل را شبیهسازی نماید .[4] این تحلیل فقط برای سرعت ثابت وارد شدن به آب و جاذبهی صفر معتبر بود.
مسألهی وارد شدن بدنهی کشتی با شکل گوهای توسط فالتینسن مورد مطالعه قرار گرفت [5]، که درآن از تئوری صفحه اورتوتروپیک برای شبیهسازی پاسخ الاستیکی بدنه در برابر ضربه به آب استفاده شده است. در هر برش عرضی از بدنه توزیع فشار هیدرودینامیکی در سرتاسر سطح خیس شده با استفاده از تئوری واگنر برای گوههای صلب محاسبه شده است. تئوری واگنر با ترکیب روش المان محدود برای پاسخ سازهای در سال 2006 توسط کروبکین مورد استفاده قرار گرفت [6]، تا به ارزیابی تنشها در صفحاتگُوِه در طول برخورد بپردازد.
این روش میتواند برای ساختارهایی پیچیدهتر از یکگُوِه هم مورد استفاده واقع شود. ساز و کار این روش به گونهای است که مدل المان محدود از سازه و مدل واگنر از جریان هیدرودینامیکی به صورت صحیحی با هم کوپل شدهاند. در این روش نیاز به محاسبهی ماتریس جرم افزوده در هر مرحله وجود دارد که محاسبهی این ماتریس برای مدلهای هیدرودینامیکی غیرخطی که موقعیتهای واقعی سطح آزاد دچار خزش میشوند بسیار مشکل است. در سال 2012 لو وهمکاران مسأله جداسازی شدهیگُوِه2ی الاستیک را مورد مطالعه قرار دادند .[7] در این روش از یک مدل المان محدود برای محاسبهی تنشها گُوِهدر استفاده شده است و بارهای هیدرودینامیکی با تئوری واگنر و بدون احتساب الاستیک بودن گُوِه محاسبه شدهاند. مدلهای محاسباتی از برخورد سازهی الاستیک بر روی سطح آزاد مایع هنوز در حال توسعه هستند. مدلهای غیرخطی میتوانند در برابر مدلهای نیمهتحلیلی بر پایهی تئوری واگنر مورد استفاده قرار گیرندکه، این رَویه توسط پیرو وماکی در سال 2011 برای گوههای الاستیک [8] و توسط تاسین و همکاران برای جسم صلب سهبُعدی انجام شده است.[9]
روند تحلیل اندرکنش سازه و سیال
در پژوهش حاضر از یک حلگر دینامیک سیالات محاسباتی 3 برای شبیهسازی جریان سیال و روش المان محدود4، برای حل سازهای بهره گرفته شده است. از مزایای این روش میتوان به متفاوت بودن نحوهی شبکهبندی بنا به نیاز در هر دامنهی حل اشاره نمود، که این امر میتواند سرعت حل را تا حد زیادی افزایش دهد. بنابراین استفاده ازاین روش برای کوپل یکطرفه روشی کاملاً منطقی محسوب میشود. از دیگر مزایای این روش به کارگیری فقط یک حل هیدرودینامیکی برای جسم صلب و چندین آنالیز متفاوت برای طراحیهای مختلف از سازه اشاره داشت. در واقع این روش زمانی که بدنه در تماس با سیال ثابت باشد، و فقط در نوع تقویتکنندهها، ضخامت ورق و سایر مشخصات آن تغییراتی ایجاد شود از کارایی بالایی برخوردار است. روش کوپل یکطرفه خود به دو روش جزئیتر تقسیم خواهد شد.
در روش اول که با نام صلب/شبه استاتیک - RQS - 5 شناخته میشود، نیرو تابعی از حرکات سازه نخواهد بود - سازه صلب برای شبیه سازی سیال - ، در واقع فقط تابعی وابسته به زمان است و همچنین در تقریبهای RQS انعطافپذیری جرمی هم نادیده گرفته میشود. نتایج معادلات حرکت در رابطهی 1 نشان داده شدهاند، که RQS حل این معادلات تقریبی خواهد بود و fr - t - هم نیروی سیال است که بر تغییر شکل سازهای تأثیری نخواهد داشت. استفاده از آنالیز RQS، که یک رویه رایج به منظور طراحی سازه شناور میباشد، و برای جبران خطاهای ایجاد شده در اثر نادیده گرفتن انعطافپذیری جرمی و تأثیر تغییر شکل سازهای بر نیروهای خارجی از ضریبی با عنوان ضریب دامنهی دینامیکی1 استفاده میشود. در بیشتر موارد، حداکثر مقدار این ضریب عدد 2 در نظر گرفته میشود، که توسط هلر و چاسپر در سال 1960 معرفی و مورد ارزیابی قرار گرفته است .[10]
تقریب بعدی به عنوان دینامیک-صلب - R-Dyn - 2 شناخته میشود، که در آن نیرو تابعی از حرکات سازه نیست، اما دینامیک سازه در نظر گرفته میشود. معادلات منتجه از حرکت در رابطهی 2، داده شده که RD حل این معادله خواهد بود. این تقریب در واقع مانند یک کوپل یکطرفه با فرکانسهای خشک3 میباشد، که علاوه بر کاربردهای صنعتی و تجاری در پژوهشهای محققینی مانند ماکی و همکاران در سال 2011 نیز مورد استفاده قرار گرفته است .[11]
از لحاظ توصیف فرمولی برای تقابل سازه و سیال میتوان ایدهی اولیهای متصور شد که در آن از معادلات کوپل شده استفاده میگردد، در این معادلات از فشار دامنهی سیال و جابجایی سازهای به عنوان متغیرها استفاده میشود.
