船水冰耦合技术及船冰碰撞模型试验研究

发布时间：2020-04-02 14:11

【摘要】：随着我国经济建设的高速发展,海洋经济已经成为国民经济的新增长点,北极开发及北极航道的开辟将为我国新的战略提供新的保障,但是随着海洋开发的大规模开展,影响海上结构物安全和操作的海冰灾害问题、海冰与结构物相互作用问题日益突出。虽然我国是一个近北极国家和世界第一造船大国,但在极地船舶核心关键基础问题的研究方面还很薄弱,是制约我国极地船舶研发建造能力提升的重要原因。这一问题已经引起我国政府和学术界的高度重视,因此专家们将极地原油运输船、极地甲板运输船等作为重点研究方向。目前对于船冰碰撞的研究,大多数学者都是将水介质作为附加质量来考虑的,并未采用流固耦合的方法,但是在分析船冰碰撞时,周围水的动力效应扮演了重要的角色,在处理碰撞的吸收能量时考虑水的作用是非常重要的。基于上述原因,一方面开展船水冰耦合技术研究,另一方面进行船体板架与浮冰的碰撞模型试验研究和船-冰碰撞结构响应的研究,对于提高极地船舶的结构安全性具有重要的科学意义,是极地运输船舶亟待解决的核心关键基础问题。本文主要工作如下:(1)构建冰体材料模型。搜集整理极地航区冰体的力学本构关系资料,获得冰体抗压强度、抗拉强度、剪切强度、弯曲强度等相关力学参数及厚度、密度等物理特性。在应用数值仿真方法研究船-冰碰撞问题的过程中,以国内外学者对冰体材料本构关系研究成果为基础,考虑冰体破碎过程中韧脆性的特点,构建一种较为准确的冰体材料模型。(2)数值仿真模型化方法研究。根据建立的本构模型,以LS-DYNA软件为平台,考虑水介质中进行圆台冰体与钢板碰撞过程的数值模拟,将冰体载荷与国际标准化委员会在ISO/CD19906(2010)中推荐的冰山碰撞载荷下压强—面积曲线进行比较,以验证冰体材料的准确性;确定约束及接触定义等,从而实现船水冰全耦合技术。(3)水介质中船体板架模型与冰体碰撞试验研究。根据相似性原理,设计、制作钢制板架模型,在水池中进行船体板架与冰体碰撞的模型试验研究,测量冰体与板架碰撞过程中的动态应变等数值;按照前文确定的船-冰碰撞数值仿真方法,建立与模型试验相同的板架与冰体模型,进行数值仿真计算,将模型试验结果与数值仿真结果进行对比,以验证船-水-冰碰撞数值仿真方法的准确性,从而为实船与冰的碰撞仿真研究奠定基础。(4)水介质中船-冰碰撞结构响应研究。选取极地运输船舶艏部作为计算对象,通过流固耦合算法来研究三维船艏与冰体碰撞的结构响应问题,并结合非线性有限元软件LS-DYNA研究船艏与不同质量冰体发生碰撞、船艏与同质量不同角度的冰体发生碰撞、不同速度下船艏与同质量的冰体发生碰撞等各种方案下的船冰碰撞结构响应问题,分析对比了各种方案下考虑流固耦合及不考虑流固耦合的仿真计算结果,揭示了各种方案下船舶在损伤变形、能量吸收、碰撞力、速度等方面的变化特征以及水介质在船冰碰撞中的影响,继而可以为极地运输船舶的抗冲击结构设计提供参考。
【图文】：

航道,北极

第 1 章绪论第 1 章绪论1 工程背景及意义随着我国经济建设的高速发展，海洋经济已经成为国民经济的新增长点，北极及北极航道的开辟不仅为我国新的战略提供新的保障，而且缩短了航运时间，但着海洋开发的大规模开展，影响海上结构物安全和操作的海冰灾害问题、海冰与物相互作用问题日益突出。海冰主要存在于中高纬度海域，对于人类海上经济活成的危害大致分为：船冰碰撞，封锁港口、航道，堵塞舰船海底门，使锚泊舰船，挤压损坏舰船，破坏海洋工程建筑和各种海上设施，，使渔民休船，船舶积冰。中，危害最严重的当属船舶与冰体发生碰撞[1]。图 1.1 为北极航道与传统航道图

空间分布,破冰,试验模型

综合解决了纵荡、横荡和首摇的刚体三个自由度方程，分析了船舶的性能、冰载荷的统计数据以及冰载荷沿船体的空间分布。Vegard Aksnes[34]利用系泊的船舶模型与浮冰的碰撞实验，测量了船首与冰的相互作用力，并提出了基于模型实验测量来构建局部冰载荷的方法。该文献将船冰相互作用的过程分为碎冰期、转动期和滑动期，碎冰和转动发生在水线附近，滑动发生在水下，给出了水线附近由浮冰的破碎和转动引起的力的计算方法。但是该研究是在船模系泊状态下的结果，只局限于测量船体外板上承受的载荷，而没有测量船体板架在该载荷下的结构响应。挪威科技大学 Li Zhou 等人[35]以一艘具有冰区加强舷侧结构的油船模型为对象，在阿尔托大学冰槽内对其进行了冰载荷参数的系列测试，该试验使用拖车拖动船模在完整冻结的冰层上破冰前行，如图 1.2 及图 1.3 所示，分别测试了改变拖车速度、船模航向角、冰的厚度等参数时的碰撞力、加速度、冰破碎形状等结果，试验结果可以作为数值模拟时的输入参数。该试验获得了诸多有价值的研究结果，该研究是以冰封的层冰为研究对象，而非自由漂浮在水上的浮冰，与北极航道开通后的商船实际航行过程中遇到的工况有所不同。
【学位授予单位】：江苏科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：U661.7

【参考文献】