基于近场动力学与有限元耦合的破冰船冰载荷计算

发布时间：2020-10-15 10:25

【学位单位】：哈尔滨工程大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：U674.21
【部分图文】：

哈尔滨工程大学硕士学位论文2算破冰船冰载荷的方法，为解决这一难题提供了具有价值的参考。1.2国内外研究现状1.2.1冰载荷计算方法研究现状目前对于冰载荷的计算分析，主要的研究方法有现场冰载荷测量、室内模型试验、理论方法与数值模拟方法等。（1）现场冰载荷测量现场冰载荷测量是在实际船舶或海洋结构物上安装相关测量装置，测量得到研究对象所受真实冰载荷的方法，其中测量装置既可以是直接测量得到冰载荷的压力传感器，也可以是测量结构物振动响应的相关装置，后者可以经过相关公式的转化得到结构物受到的冰载荷。图1.1为RobertGagnon等[5]2001年在纽芬兰岛一带进行的船碰冰山实船试验装置布置图，其中包括用于观测冰层碎裂的摄像机，用于测量船舶运动的应变片和传感器等，测量得到全船运动响应后通过专门的软件处理得到船舶受到的载荷。图1.1实船试验装置布置图[5]现场冰载荷测量得到的冰载荷为真实情况下的载荷，可靠性相当高，对理论计算和模型试验具有指导意义，是各船级社和研究机构冰载荷设计中的重要依据。然而现场冰载荷测量需要投入大量的人力、物力和财力，进行周密的规划和部署，因此运作成本相当高；并且测量结果很容易受到天气、海况等自然环境因素的影响，试验参数也无法人为设定，具有比较大的局限性。（2）室内模型试验

第2章近场动力学理论及数值方法9第2章近场动力学理论及数值方法2.1近场动力学理论2.1.1理论概述近场动力学理论是一种基于非局部理论思想建模的连续力学理论[43]。非局部理论与局部理论的差别在于材料内部相互作用的范围，如图2.1所示，在局部理论中，模型中的物质点仅仅能和相邻的其他物质点直接相互作用，而在非局部理论中，模型中的物质点可以和不相邻的物质点发生直接作用。作为一种非局部理论，近场动力学理论假设每一个物质点都有一个以其自身为中心的邻域，处于邻域内的其他物质点都能与该物质点发生相互作用，我们把这一邻域称为物质点的近场范围。如图2.1中的物质点x和x，虽然两个物质点没有直接接触，但由于物质点x位于物质点x的近场范围之中，因此两个物质点之间也存在着相互作用。图2.1近场动力学与局部理论的差异与有限元方法不同，近场动力学方法将模型视为由一个个物质点组成，并根据牛顿第二定律建立积分形式的控制方程，从而避免了微分型控制方程在不连续处偏导数不存在导致无法求解的问题，因此近场动力学在处理位移场不连续的问题上具有独特的优势。近场动力学将物质点之间的相互作用称为键（bond），根据材料破坏失效条件设置键的破坏条件，一旦键发生破坏将无法恢复，从而表示材料由无裂纹到有裂纹的转化，并且键的破坏本身包含在运动控制方程之中，对于裂纹无需再进行特殊化处理，可以模拟出裂纹自然产生和生长的过程。

哈尔滨工程大学硕士学位论文102.1.2基本方程为了方便说明，本文中以参考构型下的位置来表示物质点。如图2.2所示，初始位置为x的物质点x受到其近场范围内其他物质点的作用力，根据牛顿第二定律，物质点x的加速度与受力的关系为：tdVttt),()),,(),((),(Hxxxbxx"xux"ufxu（2-1）其中，公式左边为物质点x所占体积内的惯性力密度，ρ为材料密度；xu),(t表示物质点x在t时刻的位移；等式右边第一项为物质点受到的来自材料内其他物质点的作用力，即物质点受到的内力；f为近场动力学本构力函数，表示t时刻物质点x施加在x上的体积力密度；x:xxRHx为物质点x近场范围内的其它物质点集合，本文中，近场范围取为半径的圆形或球形；xV为物质点x的体积；将近场范围内的其他物质对点物质点x的作用力密度积分后，得到物质点x受到的总内力密度；等式右边第二项为外载荷，b代表物质点x受到的外载荷密度。图2.2近场范围2.1.3本构模型本构力函数f的构造是近场动力学的关键，为了方便说明本构力函数的构造过程，本文将采取如下表述：将两个相互作用的物质点称为物质对点，并将物质点在参考构型中的相对位置记为xxξ；物质对点的相对位移记为xuxuηtt),(),(；则该物质对点在变形后的相对位置可以表示为ξη，相应的本构力函数可以写为ξηf),(，相对位置和相对位移的关系如图2.3所示。
【参考文献】

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本文编号：2842053