冰载荷作用下船体结构抗碰撞挤压性能研究

发布时间：2017-10-22 00:34

  本文关键词：冰载荷作用下船体结构抗碰撞挤压性能研究

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【摘要】：近年来，全球气候变暖，极地冰川融化加剧，北冰洋这片人迹罕至的海域在不久的未来完全有可能实现船舶通航，从而大大缩短亚洲国家与欧洲及美洲之间的运输航程，降低运输成本。与此同时，地质探测发现两极地区蕴藏着丰富的油气资源，人类的油气开采计划也会相继青睐于此，中高纬度的港口以及航道将迎来空前的繁荣。然而，无论是航道的开辟还是油气的开采，人们都无法回避冰载荷带来的相关问题，这必然增大船舶以及海洋结构物遭受冰载荷破坏的概率，一旦发生结构损伤以及油气泄漏事故，将会给国家和人民造成重大的生命财产损失。 基于上述原因，本文开展了冰载荷作用下船体结构抗碰撞挤压性能研究。考虑固体与流体之间的耦合作用，研究船—冰碰撞有限元仿真技术；探讨船—冰碰撞参数对船舶肩部与冰体(质量块)发生碰撞的影响规律；改变冰排碰撞参数，模拟不同工况下船艏结构与冰排(大面积冰层)的挤撞响应；分析冰层对于封冻在其中的船舶的挤压作用，针对船舶损伤情况提出抗冻结构加强建议。主要工作如下： （1）根据弹塑性力学理论，阐述了船体钢的材料特性及失效准则；引入了国内外冰体数值仿真的最新方法，以冰山冰为对象研究了冰体的材料模型及本构关系，根据Tsai-Wu屈服曲面建立了冰体材料参数，参考前人基于上述冰体模型完成的圆台冰—刚性墙碰撞仿真结果，其压强—面积曲线与实验结果以及ISO推荐曲线较为一致；考虑水介质的作用，确定其材料模型以及状态方程，探讨了LS-DYNA软件实现流固耦合分析的方法，结合具体算例论证LS-DYNA软件实现上述分析的可行性。 （2）利用前处理软件PATRAN建立了全船、冰体以及水介质的有限元模型，在考虑流固耦合作用的前提下，通过非线性有限元软件LS-DYNA，对船舶肩部与冰体发生碰撞进行数值计算，对比研究了不同工况下船体结构响应的异同，揭示了冰体形状、碰撞速度、碰撞位置等因素对船舶与冰体发生碰撞的损伤变形、碰撞力以及能量吸收的影响规律以及特性，简要分析了船冰碰撞条件下水域的流场分布状况。 （3）在高纬度海域通常会有冻冰层或流动的冰排漂浮于海面，要想通过冰区水域船舶必须与之发生挤撞。模拟船艏与冰排发生挤撞，主要考虑相同条件下分别改变冰排厚度、运动状态以及物理性质单个碰撞参数，对比研究不同碰撞工况下船—冰结构的损伤变形、撞击船速度变化以及碰撞力等方面的结构响应差异，，得到上述因素对船—冰碰撞的影响规律。 （4）结合实际分析船舶遭受冰层挤压的场景并加以简化，重点研究冰层温度场以及应力场的计算，结合具体工况以及试验数据模拟得到各时间子步的温度场，在此基础上通过对相邻子步温度场作差，得到模型相应状态的应力分布并逐步累加。以一艘沿海货船为例，建立了其首部以及尾部（单壳结构）有限元模型，在假定船冰接触界面刚性的基础上，拟合应力场函数加载于船体模型。根据计算结果分析船舶结构损伤，提出船舶抗冻结构加强建议。
【关键词】：船—冰碰撞 冰层挤压 损伤变形 碰撞力 能量吸收
【学位授予单位】：江苏科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：U661.4
【目录】：

• 摘要6-8
• ABSTRACT8-18
• 第一章 绪论18-28
• 1.1 论文的研究背景和意义18-21
• 1.2 国内外研究现状与进展21-26
• 1.3 本文的主要研究内容和创新点26-28
• 1.3.1 本文的主要研究内容26-27
• 1.3.2 本文的创新点27-28
• 第二章 船—冰碰撞有限元仿真技术研究28-46
• 2.1 引言28
• 2.2 基于 LS-DYNA 的船舶碰撞材料模型28-31
• 2.2.1 幂指数硬化弹塑性材料29-30
• 2.2.2 船体材料属性和失效准则30-31
• 2.3 船舶的有限元模型处理技术31-35
• 2.3.1 船舶概况31-32
• 2.3.2 结构简化32-33
• 2.3.3 网格划分33-34
• 2.3.4 接触定义34-35
• 2.4 冰体的材料模型与本构关系35-40
• 2.4.1 冰山冰的材料模型35-36
• 2.4.2 材料应变率的影响36-37
• 2.4.3 冰山冰的屈服曲面37-38
• 2.4.4 失效准则和材料参数的确定38-40
• 2.5 水介质的材料模型、状态方程以及流固耦合算法40-42
• 2.5.1 流体模型以及状态方程40-42
• 2.5.2 流固耦合算法42
• 2.6 流固耦合算例42-45
• 2.7 本章小结45-46
• 第三章 船舶与冰体碰撞结构响应研究46-68
• 3.1 引言46
• 3.2 船—冰碰撞性能评判指标46-47
• 3.3 船舶与冰体碰撞方案设计47-51
• 3.3.1 冰体的形状47-48
• 3.3.2 碰撞方案48-50
• 3.3.3 船、冰质量控制与水介质模拟50-51
• 3.4 冰体形状对船—冰碰撞的影响51-55
• 3.4.1 碰撞损伤变形51-53
• 3.4.2 碰撞力53-54
• 3.4.3 能量吸收54-55
• 3.5 撞击速度对船—冰碰撞的影响55-60
• 3.5.1 碰撞损伤变形56-57
• 3.5.2 碰撞力57-59
• 3.5.3 能量吸收59-60
• 3.6 撞击位置对船—冰碰撞的影响60-64
• 3.6.1 碰撞损伤变形60-62
• 3.6.2 碰撞力62-63
• 3.6.3 能量吸收63-64
• 3.7 水域的流场分布状况64-66
• 3.8 本章小结66-68
• 第四章 船舶与冰排碰撞结构响应研究68-86
• 4.1 引言68
• 4.2 船舶与冰排碰撞方案设计68-72
• 4.2.1 冰排的形状68-70
• 4.2.2 碰撞方案70-71
• 4.2.3 船、冰质量控制与附连水质量71-72
• 4.3 冰排厚度对船—冰碰撞的影响72-77
• 4.3.1 碰撞损伤变形72-74
• 4.3.2 撞击船速度变化74-75
• 4.3.3 碰撞力75-77
• 4.4 冰排运动状态对船—冰碰撞的影响77-81
• 4.4.1 碰撞损伤变形77-79
• 4.4.2 撞击船速度变化79-80
• 4.4.3 碰撞力80-81
• 4.5 冰排物理性质对船—冰碰撞的影响81-85
• 4.5.1 碰撞损伤变形82-83
• 4.5.2 撞击船速度变化83-84
• 4.5.3 碰撞力84-85
• 4.6 本章小结85-86
• 第五章 船舶遭冰层挤压结构损伤研究86-104
• 5.1 引言86
• 5.2 挤压场景简化86-88
• 5.3 冰层温度场的计算研究88-93
• 5.3.1 数学理论研究88-89
• 5.3.2 有限元方法与运用89-90
• 5.3.3 有限元结果分析90-93
• 5.4 冰层温度应力场的计算研究93-97
• 5.4.1 数学理论研究93-94
• 5.4.2 有限元方法与运用94-96
• 5.4.3 有限元结果分析96-97
• 5.5 船体结构模型以及承载工况97-101
• 5.5.1 船舶有限元模型98-100
• 5.5.2 承载工况研究100-101
• 5.6 船舶结构损伤分析101-102
• 5.7 本章小结102-104
• 第六章 总结与展望104-108
• 6.1 主要研究工作及结论104-106
• 6.1.1 本文主要的研究工作104-105
• 6.1.2 本文主要的研究结论105-106
• 6.2 进一步研究工作展望106-108
• 附录108-112
• 1.船舶损伤变形时序图（船舶与冰体碰撞方案Ⅱ工况 B）108-110
• 2.船冰相对位置时序图（船舶与冰体碰撞方案Ⅱ工况 B）110-112
• 参考文献112-116
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文116-117
• 致谢117

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前8条

1 谢永刚;黑龙江省胜利水库冰盖生消规律[J];冰川冻土;1992年02期

2 江华涛,顾永宁;高强度钢缓冲型船艏研究[J];船舶工程;2003年01期

3 李洪升,岳前进,沈梧;海冰的粘性效应及模型理论[J];大连理工大学学报;1993年02期

4 李洪升,杜小振,岳前进;海冰强度对应变速率敏感性及其演化模式[J];大连理工大学学报;2003年05期

5 武文华;于佰杰;许宁;岳前进;;海冰与锥体抗冰结构动力作用的数值模拟[J];工程力学;2008年11期

6 萧平;冰海沉船话冰山——从《泰坦尼克号》引发的话题[J];城市防震减灾;2000年02期

7 史庆增,徐阳;约束冰层温度膨胀力的研究[J];海洋学报(中文版);2000年03期

8 黄焱,史庆增,宋安;冰温度膨胀力的有限元分析[J];水利学报;2005年03期

本文编号：1075998