水介质中船冰碰撞简化计算方法及船体结构失效模式研究
发布时间：2022-10-03 21:00
随着全球气温的升高,北极海域的大部分冰层逐渐融化,极地地区贮藏的丰富资源和极具价值的北极航道已成为各国的焦点,因此极地船舶的需求大大增加。极地运输船舶核心关键基础问题的研究代表了一个国家船舶建造业的水平,制约一个国家的话语权,影响着世界新格局。我国在极地船舶研发建造能力方面还有很大提升空间,政府和学术界着重提出今后极地船舶的重点研究对象为极地原油运输船和极地甲板运输船。船舶是水上的一种重要的交通运输工具,在其航行中遇到的碰撞过程必然受其周围水域影响。目前对于船冰碰撞的研究,大多数学者通常使用附连水质量法代替水介质的作用,而忽略船冰碰撞过程中水压变化的影响。综上所述,一方面开展船水冰耦合技术研究,另一方面进行船体板架碰撞载荷下失效模式与载荷预报的研究,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。本文主要工作内容如下:（1）分析船-冰会遇过程中所使用的理论及数值方法。阐述三维粘性流体运动的基本控制方程、两方程模型中的RNG k-ε模型的控制方程及参数设定和自由液面-VOF模型。之后介绍流场的数值解法和动网格技术,最后对数值波浪水池做了简要阐述。...
【文章页数】：96 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
Abstract
第1章 绪论
1.1 研究背景及意义
1.2 国内外研究现状
1.2.1 两物体水动力相互作用研究进展
1.2.2 船冰碰撞研究进展
1.3 本文主要研究内容和创新点
1.3.1 本文主要研究内容
1.3.2 本文主要创新点
第2章 三维粘性流的基本理论和数值计算方法
2.1 引言
2.2 流场数学模型
2.2.1 基本控制方程
2.2.2 湍流模型
2.2.3 自由液面-VOF计算模型
2.3 流场的数值计算方法
2.3.1 控制方程的离散
2.3.2 压力速度耦合问题的有限体积法
2.4 动网格技术
2.5 数值波浪水池
2.5.1 数值造波理论
2.5.2 数值消波
2.6 本章小结
第3章 波浪中船冰会遇及碰撞简化计算方法研究
3.1 引言
3.2 计算模型
3.2.1 物理模型
3.2.2 计算网格
3.2.3 边界条件设置
3.2.4 监测面设置
3.3 船冰相对运动的数值模拟
3.3.1 不同时刻水汽两相云图
3.3.2 船体表面压力
3.3.3 各监测面压力变化曲线
3.4 舷侧外板各监测面压力载荷预报
3.5 本章小结
第4章 船-冰碰撞载荷下船体舷侧结构失效模式研究
4.1 引言
4.2 LS-DYNA理论基础
4.2.1 显示求解分析方法
4.3 模型建立
4.3.1 船体有限元模型的建立
4.3.2 冰层的计算模型
4.3.3 接触算法与摩擦系数
4.3.4 预压力施加
4.4 船冰的材料参数和失效准则
4.4.1 船体的材料属性和失效准则
4.4.2 海冰的材料参数与失效准则
4.4.3 冰山材料模型合理性验证
4.4.4 碰撞场景及碰撞参数
4.5 碰擦下船体失效模式分析
4.5.1 舷侧结构损伤变形
4.5.2 舷侧碰撞力时历曲线
4.5.3 能量吸收
4.5.4 碰擦下船体结构失效模式
4.6 正撞下船体失效模式分析
4.6.1 舷侧结构损伤变形
4.6.2 舷侧碰撞力时历曲线
4.6.3 能量吸收
4.6.4 正撞下船体结构失效模式
4.7 碰擦与正碰下仿真结果分析
4.8 本章小结
第5章 冰载荷下舷侧外板失效的简化解析计算
5.1 引言
5.2 简化解析基本理论
5.2.1 简化解析基本思路与假设
5.2.2 计算方法
5.3 一种新的板受楔形撞头侧撞的解析计算与验证
5.3.1 板受楔形撞头的简化解析模型
5.3.2 新解析预报模型的验证与分析
5.3.2.1 试验介绍
5.3.2.2 有限元模型
5.3.2.3 结果讨论
5.4 舷侧外板受楔形撞头侧撞的解析计算与验证
5.4.1 舷侧外板结构损伤变形的简化解析计算
5.4.2 解析计算结果与船冰碰撞数值结果的对比
5.5 本章小结
第6章 总结与展望
6.1 本文研究工作总结
6.2 展望
参考文献
攻读硕士学位期间发表的学术论文
致谢
【参考文献】：
期刊论文
[1]冰缘区船舶与波浪及海冰耦合作用研究与进展[J]. 骆婉珍,郭春雨,苏玉民,张海鹏. 中国造船. 2017(02)
[2]基于非线性有限元法的船舶冰区破冰数值模拟（英文）[J]. 王健伟,邹早建. 船舶力学. 2016(12)
[3]破冰结构与冰载荷相互作用下的破坏模式和损伤机理研究[J]. 王林,沈炜炜. 船舶工程. 2016(11)
[4]大型运输船极地平整冰区航行阻力的模型试验[J]. 黄焱,孙剑桥,季少鹏,田于逵. 中国造船. 2016(03)
[5]破冰船在冰层中连续破冰过程的数值模拟[J]. 任奕舟,邹早建. 振动与冲击. 2016(18)
[6]破冰船在冰层中连续破冰时的冰阻力预报[J]. 任奕舟,邹早建. 上海交通大学学报. 2016(08)
[7]不同运动形式下水物相互作用空化数值模拟[J]. 刘杰. 水利科技与经济. 2016(07)
[8]船冰碰撞载荷下船舶结构加强方案研究（英文）[J]. 张健,何文心,元志明,陈聪. 船舶力学. 2016(06)
[9]北极航线与世界海运网络格局[J]. 李振福. 中国船检. 2016(03)
[10]碎冰条件下冰区船阻力性能试验研究[J]. 郭春雨,谢畅,王帅,李夏炎,骆婉珍. 哈尔滨工程大学学报. 2016(04)
硕士论文
[1]船-冰碰撞及加筋板耐撞性简化解析研究[D]. 许长江.大连理工大学 2017
[2]破冰船艏部冰载荷计算及结构强度研究[D]. 何文心.江苏科技大学 2017
[3]艏部形状对船—冰碰撞性能的影响研究[D]. 史江海.哈尔滨工业大学 2016
[4]冰材料模型与局部形状对船冰碰撞影响研究[D]. 高岩.上海交通大学 2015
[5]冰载荷作用下船体结构抗碰撞挤压性能研究[D]. 张淼溶.江苏科技大学 2014
[6]船—船非定常水动力相互作用数值研究[D]. 张晨曦.上海交通大学 2011
本文编号：3684809
【文章页数】：96 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
Abstract
第1章 绪论
1.1 研究背景及意义
1.2 国内外研究现状
1.2.1 两物体水动力相互作用研究进展
1.2.2 船冰碰撞研究进展
1.3 本文主要研究内容和创新点
1.3.1 本文主要研究内容
1.3.2 本文主要创新点
第2章 三维粘性流的基本理论和数值计算方法
2.1 引言
2.2 流场数学模型
2.2.1 基本控制方程
2.2.2 湍流模型
2.2.3 自由液面-VOF计算模型
2.3 流场的数值计算方法
2.3.1 控制方程的离散
2.3.2 压力速度耦合问题的有限体积法
2.4 动网格技术
2.5 数值波浪水池
2.5.1 数值造波理论
2.5.2 数值消波
2.6 本章小结
第3章 波浪中船冰会遇及碰撞简化计算方法研究
3.1 引言
3.2 计算模型
3.2.1 物理模型
3.2.2 计算网格
3.2.3 边界条件设置
3.2.4 监测面设置
3.3 船冰相对运动的数值模拟
3.3.1 不同时刻水汽两相云图
3.3.2 船体表面压力
3.3.3 各监测面压力变化曲线
3.4 舷侧外板各监测面压力载荷预报
3.5 本章小结
第4章 船-冰碰撞载荷下船体舷侧结构失效模式研究
4.1 引言
4.2 LS-DYNA理论基础
4.2.1 显示求解分析方法
4.3 模型建立
4.3.1 船体有限元模型的建立
4.3.2 冰层的计算模型
4.3.3 接触算法与摩擦系数
4.3.4 预压力施加
4.4 船冰的材料参数和失效准则
4.4.1 船体的材料属性和失效准则
4.4.2 海冰的材料参数与失效准则
4.4.3 冰山材料模型合理性验证
4.4.4 碰撞场景及碰撞参数
4.5 碰擦下船体失效模式分析
4.5.1 舷侧结构损伤变形
4.5.2 舷侧碰撞力时历曲线
4.5.3 能量吸收
4.5.4 碰擦下船体结构失效模式
4.6 正撞下船体失效模式分析
4.6.1 舷侧结构损伤变形
4.6.2 舷侧碰撞力时历曲线
4.6.3 能量吸收
4.6.4 正撞下船体结构失效模式
4.7 碰擦与正碰下仿真结果分析
4.8 本章小结
第5章 冰载荷下舷侧外板失效的简化解析计算
5.1 引言
5.2 简化解析基本理论
5.2.1 简化解析基本思路与假设
5.2.2 计算方法
5.3 一种新的板受楔形撞头侧撞的解析计算与验证
5.3.1 板受楔形撞头的简化解析模型
5.3.2 新解析预报模型的验证与分析
5.3.2.1 试验介绍
5.3.2.2 有限元模型
5.3.2.3 结果讨论
5.4 舷侧外板受楔形撞头侧撞的解析计算与验证
5.4.1 舷侧外板结构损伤变形的简化解析计算
5.4.2 解析计算结果与船冰碰撞数值结果的对比
5.5 本章小结
第6章 总结与展望
6.1 本文研究工作总结
6.2 展望
参考文献
攻读硕士学位期间发表的学术论文
致谢
【参考文献】：
期刊论文
[1]冰缘区船舶与波浪及海冰耦合作用研究与进展[J]. 骆婉珍,郭春雨,苏玉民,张海鹏. 中国造船. 2017(02)
[2]基于非线性有限元法的船舶冰区破冰数值模拟（英文）[J]. 王健伟,邹早建. 船舶力学. 2016(12)
[3]破冰结构与冰载荷相互作用下的破坏模式和损伤机理研究[J]. 王林,沈炜炜. 船舶工程. 2016(11)
[4]大型运输船极地平整冰区航行阻力的模型试验[J]. 黄焱,孙剑桥,季少鹏,田于逵. 中国造船. 2016(03)
[5]破冰船在冰层中连续破冰过程的数值模拟[J]. 任奕舟,邹早建. 振动与冲击. 2016(18)
[6]破冰船在冰层中连续破冰时的冰阻力预报[J]. 任奕舟,邹早建. 上海交通大学学报. 2016(08)
[7]不同运动形式下水物相互作用空化数值模拟[J]. 刘杰. 水利科技与经济. 2016(07)
[8]船冰碰撞载荷下船舶结构加强方案研究（英文）[J]. 张健,何文心,元志明,陈聪. 船舶力学. 2016(06)
[9]北极航线与世界海运网络格局[J]. 李振福. 中国船检. 2016(03)
[10]碎冰条件下冰区船阻力性能试验研究[J]. 郭春雨,谢畅,王帅,李夏炎,骆婉珍. 哈尔滨工程大学学报. 2016(04)
硕士论文
[1]船-冰碰撞及加筋板耐撞性简化解析研究[D]. 许长江.大连理工大学 2017
[2]破冰船艏部冰载荷计算及结构强度研究[D]. 何文心.江苏科技大学 2017
[3]艏部形状对船—冰碰撞性能的影响研究[D]. 史江海.哈尔滨工业大学 2016
[4]冰材料模型与局部形状对船冰碰撞影响研究[D]. 高岩.上海交通大学 2015
[5]冰载荷作用下船体结构抗碰撞挤压性能研究[D]. 张淼溶.江苏科技大学 2014
[6]船—船非定常水动力相互作用数值研究[D]. 张晨曦.上海交通大学 2011
本文编号：3684809
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/chuanbolw/3684809.html
