上海交通大学学报

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基于半混合欧拉-拉格朗日边界元法不规则波群模拟

薛文, 高志亮

2025,59 (4): 435-446.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2023.302

摘要 ( 1633 )

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PDF(3375KB) ( 91 )

为了实现更能表征真实海浪特征的不规则波群的有效模拟,结合不规则波群理论生成方法,开发基于半混合欧拉-拉格朗日边界元方法的数值波浪水池.首先,分析不同模型参数对数值计算的影响.研究发现,波浪模拟精度随阻尼层长度的增加和时间步长的减小而提高,适当的源点外移距离、源点分布范围和源点数量能兼顾计算精度和稳定性.然后,基于验证的模型参数对单向不规则波群进行模拟,将数值模拟结果与物理试验结果和理论目标值进行对比,验证数值水池对不规则波群模拟的有效性.结果表明,所开发的数值水池能有效模拟不规则波群的生成和传播.

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畸形波浪环境下的埋首式无人艇水面运动特性

巩超, 侯远杭, 张宇骐, 刘殿勇, 万跃进

2025,59 (4): 447-457.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2023.342

摘要 ( 1156 )

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船舶在遭遇畸形波浪时,瞬间的冲击会使波浪载荷急剧变化,严重时甚至会造成船舶倾覆.为探索能有效抵御异常波浪冲击的特种船型,以对极端海况下高强度波浪载荷具有优良适应性的某型埋首式无人艇为研究对象,分析了其在多种波浪环境下的运动特性.首先基于雷诺平均Navier-Stokes方程(RANS),考虑了不同波幅的五阶Stokes波、畸形波对无人艇水面运动的影响;其次使用动态流体固体相互作用(DFBI)模型对船舶纵摇和垂荡两个自由度的运动进行分析;再次对仿真结果进行可视化处理,分析了船体表面压力、总阻力、运动响应和载荷特性.结果发现:随着波幅增加,埋首式无人艇的波浪载荷增大,运动响应更加剧烈;与五阶Stokes波相比,无人艇在畸形波中的波浪载荷更小,对船体结构安全具有较好的保护性,原因在于埋首式无人艇首部集合了锥形船首与球鼻艏的优势,对流经船首的波浪产生了分散、分割的效果,有效抑制了波浪的冲击力,保证了无人艇在极端海况下的航行安全.研究结果可为埋首式无人艇在畸形波等极端海况下的安全航行提供技术支撑.

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基于缺口应力法的船舶焊接结构疲劳强度分析

甄春博, 刘世豪, 张爱锋, 邢世柱, 张润泽

2025,59 (4): 458-465.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2023.307

摘要 ( 1256 )

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针对船舶结构疲劳强度问题,利用缺口应力法对典型结构节点的焊趾和焊根部位进行疲劳强度分析.首先,介绍缺口应力法和船舶结构缺口疲劳分析流程.然后,针对成品油船双层底结构设置6种典型节点型式,采用有限元子模型技术,进行疲劳热点部位的局部缺口应力分析,得到了焊趾和焊根部位的缺口应力集中系数.最后基于协调共同结构规范(HCSR)计算船舶结构疲劳载荷及工况,对6种典型节点型式进行疲劳分析.结果表明,相同工况下各热点部位焊趾处的缺口应力集中系数均小于焊根处,节点型式3具有较小的疲劳损伤值,该节点型式可提高船体的抗疲劳性能.

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基于响应面法-遗传算法的船舶推进轴系多目标优化设计

张聪, 疏炳南, 张江涛, 金勇

2025,59 (4): 466-475.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2023.318

摘要 ( 1632 )

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PDF(9630KB) ( 275 )

为降低船舶在航行过程中传动设备的功率损失,提高推进轴系的传递效率,并改善轴系振动性能,基于响应面模型与遗传算法(GA)对某船舶轴系实验台进行了多目标优化设计.采用星点设计(CCD)方法,在优化设计空间中选取合理实验点,拟合构建最小总功耗和振动响应幅值的响应面模型.基于GA,利用MATLAB软件求解响应面模型回归函数的Pareto最优解.对比分析各组优化结果,获得最佳优化设计方案,研究结果表明采用这种联合方法后,轴系功耗损失降低了约7.10%,轴系振动幅值降低了2.30%,能有效提高轴系传递效率和抑制推进轴系振动问题,从而验证了船舶推进轴系多目标优化方法的正确性和可行性.

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多场景多目标动态变化下船舶小组立装焊重调度

张澳圆, 胡小锋, 张亚辉

2025,59 (4): 476-488.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2023.274

摘要 ( 1168 )

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PDF(2668KB) ( 134 )

针对船舶小组立装焊过程中物料配送延迟、设备故障等异常状况频发导致的生产进度滞后、生产计划需重新调整问题,提出一种多场景多目标动态变化重调度算法.首先,根据生产阶段和异常扰动的不同选取目标函数,并构建包含场地约束、任务先序约束和人力资源约束的数学模型;其次,引入场地配置算法,采用改进的基于参考点的非支配排序算法求解,增加交叉检查机制,设计基于任务序列的变异算子,融合多染色体机制,与场地配置算法相结合进行求解;之后,提出了面向船舶小组立装焊重调度的染色体序列距离计算方法,描述重调度算法解与初始计划的差异大小,与R2指标结合,定义Pareto-R2双标准选择算子,兼顾算法多样性和收敛性;最后,基于工程案例设计对比实验,验证了提出的重调度算法的有效性.

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河口深槽可航宽度变化水域航行决策方法

贺益雄, 代永刚, 赵兴亚, 于德清, 黄立文

2025,59 (4): 489-502.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2023.356

摘要 ( 1048 )

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为解决河口深槽可航宽度变化水域船舶航行决策挑战,以长江口北槽深水航道为例,围绕环境数字孪生、航行规则融入、船舶操纵性限制和特殊水域下避碰机理等关键科学问题开展研究.将环境构成要素分类、建模并实现环境数字孪生.归纳、量化解析航行规则要求并融入决策过程, 提出本船非线性操纵特性下的控制和过程预测方法.探究基于研究水域船舶行为特征的避碰机理,建立可行航向航速范围求取方法,提出多因素约束下能动态自适应系统剩余误差和目标船随机运动的航行决策方法.在预设场景下,本船在241、1 484、4 119 s 时,分别右转7°、右转2° 且将车令降到前进1、右转5° 且将车令降到前进1可安全通过.结果表明,提出的方法能在研究场景中精确进行航行决策,安全避让并及时跟踪航线.

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考虑自重应力的隧道周围土体非线性固结特性分析

胡安峰, 陈俞超, 肖志荣, 谢森林, 龚昭祺

2025,59 (4): 503-512.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2023.322

摘要 ( 978 )

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考虑隧道周围土体自重应力,建立饱和土体二维非线性固结控制方程,使用交替隐式差分法对方程进行求解.通过将退化解与已有解析解比较,以及将计算结果与工程实测数据对比,验证了解答的正确性.在此基础上,进一步探究了土体自重应力及固结系数变化对隧道周围土体非线性固结特性的影响规律.结果表明:忽略土体自重应力不仅会导致土层的超静孔压偏大,固结沉降速率偏小,还会使地表沉降终值偏小;在自重应力影响下,压缩指数与渗透指数之比C_c/C_k越小,土体固结沉降速率越慢,但地表沉降终值不会改变;当C_c/C_k=1.0时,土体重度越小,其固结速率受初始有效应力分布形式的影响越大,同时地表沉降终值也越大;C_c/C_k >1.0时渗透系数在固结过程中起主导作用,固结速率随重度增大而减小,而C_c/C_k <1.0时体积压缩系数的影响效果增强,固结速率变为随重度增大而增大,但两种情形下的地表沉降终值均随土体重度增大而减小.

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黏弹性围岩纵向变形曲线及其释放系数演化规律

王嘉琛, 孟令赞, 张顶立, 卢松, 文明

2025,59 (4): 513-524.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2023.350

摘要 ( 1539 )

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PDF(8387KB) ( 190 )

常规的弹性解无法对具有强蠕变特性的软岩隧道变形规律提出合理解释.因此,针对软岩隧道施工的时间-空间效应,引入Burgers模型揭示其时空演化规律,并通过数值计算探究不同因素对黏弹性围岩纵向变形规律的影响.同时基于响应面法得到位移释放系数的经验公式,与现场监测和其他理论比较验证了本文方法的可行性.研究结果表明地应力对位移释放系数影响可忽略,Kelvin切变模量、Kelvin黏滞系数、Maxwell切变模量和开挖速度显著影响位移释放系数,而根据延滞时间的不同可分为低延滞系数、中延滞系数和高延滞系数3类;针对时间效应影响型、空间效应影响型和时空效应影响型3种黏弹性围岩纵向变形曲线类型拟合得到相应的经验公式.研究结论可为软岩隧道变形预测提供更简便的方法.

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基于长短时记忆的真空预压地基沉降预测

梁煜婉, 肖朝昀, 李明广, 孟江山, 周建烽, 黄山景, 朱浩杰

2025,59 (4): 525-532.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2023.340

摘要 ( 1374 )

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PDF(2967KB) ( 157 )

为探寻一种更加准确的真空预压地基处理沉降预测方法,以厦门新机场规划片区东园地块造地二期工程为例,构建基于长短时记忆(LSTM)神经网络的真空预压地基处理沉降预测模型.选取两个区域的实测沉降数据作为数据基础,对比传统沉降预测法(浅岗法、三点法和双曲线法)与LSTM神经网络预测结果.研究结果表明:当真空预压地基处理工况下出现真空膜破损引发沉降量回弹的现象时,相较于传统预测方法,LSTM的均方根误差e_RMSE和平均绝对值误差e_MAE均下降45%以上,且该方法的预测结果有明显的上升趋势,能够准确预测出沉降回弹情况.在预测误差方面,考虑真空度和沉降变化的LSTM模型比仅考虑沉降时序的LSTM模型的e_RMSE和e_MAE降低60%及以上.该研究可为真空预压地基沉降预测提供先进的数据驱动预测方法.

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极地低温下高强钢对接焊缝连接力学性能

曹换, 蔡骜, 谌扬宇, 左文康, 陈满泰

2025,59 (4): 533-540.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2023.386

摘要 ( 1159 )

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PDF(938KB) ( 155 )

为研究极地低温环境对HG785高强钢对接焊缝连接的力学性能影响机制与规律,考虑两种焊缝金属材料和5种常温或低温环境温度,对高强钢对接焊缝焊接接头开展了微观结构观测、硬度分布测试和单轴拉伸试验研究.结果表明,焊接接头金相组织较为连贯,焊缝金属与母材熔合良好;两种匹配情况的焊缝连接试样均仅存在软化热影响区;极地低温环境下的对接焊缝连接试件强度较常温试件有所提升,等强匹配试件延性提升明显,但对高强匹配试件延性影响甚微,所有试件均为延性破坏.研究结果可为高强钢结构在极地低温地区的工程应用与安全服役提供科学依据.

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结构损伤识别的改进广义柔度矩阵灵敏度方法

牛梓蓉, 吴锋, 韩兆龙, 卓杨, 车爱兰, 朱宏博

2025,59 (4): 541-549.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2023.317

摘要 ( 1122 )

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提出一种改进的广义柔度矩阵灵敏度方法用于结构的损伤识别.首先,在原有方法基础上增加广义柔度矩阵关于损伤系数的高阶灵敏度项,提高损伤识别结果的精度.然后,在求解损伤识别方程时,考虑损伤识别的物理意义,通过增加损伤系数的约束条件,将损伤识别方程转换为最优化问题,并采用序列二次规划算法进行求解,避免出现负损伤系数的情况.最后,采用一个空间桁架结构有限元模型数值算例和一个7层的框架结构模型试验,验证所提方法的有效性和优越性.结果表明,所提方法与原方法相比能更精确地定位损伤位置,识别损伤程度,且适用于大损伤的情形.

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基于张力信号的深海网箱网纲损伤监测方法

杨孟婕, 任浩杰, 任浩, 许玉旺, 张萌萌

2025,59 (4): 550-560.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2023.372

摘要 ( 1664 )

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网衣系统是深远海大型网箱的重要组成部分,网纲线结构作为网衣系统的骨架,承担着网衣系统主要水动力载荷,针对其健康状态的监测至关重要.围绕网纲结构实时性损伤监测问题,构建网纲结构有限元数值模型,对比分析网纲完整及损伤状态下力学特性.结果表明:网纲发生破断损伤时,破损网纲线端部张力载荷急剧下降,相邻网纲线端部张力载荷则出现放大现象.基于这一张力载荷突变及破损网纲对无破损网纲载荷影响特征,定义了网纲张力相关系数、总影响值以及张力变化系数3个损伤识别参数,建立了基于网纲张力信号的实时损伤监测方法.该方法由张力变化系数出现极值阶跃判定网纲线破断编号,并由张力变化系数值与端部距破损位置距离成正比的规律确定破断网纲具体断裂位置.研究工作可实现实时网纲结构损伤监测,对深海养殖网箱的健康运维提供有益帮助.

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