冰撞载荷作用下船体结构抗冲击设计研究

发布时间：2017-06-16 20:08

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【摘要】：随着全球气候的变暖,北极地区冰面正以每10年9%左右的速度消失,北极资源开发正趋于可行。北极地区蕴藏着丰富的石油、天然气、矿物和渔业资源。因此,开发北极资源正受到世界各国,尤其是沿海国家的广泛关注和高度重视。然而,船舶在高纬度海域航行,将会不可避免地与各种形状的冰体发生碰撞。一旦船只与冰体发生碰撞,极有可能损坏船体、引起货物泄露和环境污染,甚至造成重大人员伤亡。为了能够大规模有效开发世界范围内的结冰海域油气资源,必须解决海冰灾害引起的各种问题。基于上述原因,本文开展了冰撞载荷作用下船体结构抗冲击设计研究。首先,研究船—冰碰撞有限元仿真技术,建立了适用于有限元仿真的冰体材料参数;其次,根据冰级规范进行冰区结构加强,设计了横向和纵向两种加强方式,并与传统未加强结构进行比较,突出冰区结构加强的重要性和横向加强方式的优越性;然后,在规范加强的基础上,进行船舶结构冰区加强方案研究,进一步研究单一构件强度的增加对整体结构影响的规律性;最后,设计了两种新型夹芯抗冲击肩部结构,并与传统肩部结构作比较,对比分析不同结构的抗冲击性能,得出一种较优的新型抗冰载荷冲击肩部结构形式。主要工作如下:(1)基于弹塑性力学理论及非线性有限元软件LS-DYNA,研究了船—冰碰撞的材料模型。以典型成品油船为例对船体结构有限元仿真技术进行详细阐述,包括船体结构简化、网格划分、接触定义等建模过程;建立了适用于有限元仿真的冰体材料参数。最后,参考前人的研究成果,验证了本文所确定的冰体材料模型及仿真方法的可行性。(2)以一艘成品油船为例,应用前处理软件PATRAN建立了全船、冰体的有限元模型,通过非线性有限元软件LS-DYNA,分别模拟未进行肩部加强船舶与冰体发生碰撞以及肩部采取横向和纵向两种不同加强方式的船舶与冰体碰撞。对比研究了不同碰撞方案下船体结构响应的异同,揭示了现有的冰区加强规范的可行性与横向、纵向两种加强方式的差异。(3)在按冰级规范进行冰区加强的基础上,进一步研究了单一构件强度的增加对整体结构影响的规律性。选取经横骨架式加强后的油船为研究对象,在其他因素不变的前提下,对比分析了不同外板厚度、不同横隔板厚度以及不同肋骨间距下船体结构响应的差异。揭示了碰撞区域的损伤变形、碰撞力、结构吸能随外板厚度、横隔板厚度、肋骨间距的变化而变化的规律,获得船舶肩部各主要构件对于抵抗冰载荷作用的能力及贡献。(4)将夹层板应用于肩部结构,设计出I型、V型两种新型抗冲击结构形式。基于非线性有限元软件LS-DYNA,对比分析了传统加强结构、I型夹层板结构、V型夹层板结构的船舶肩部与冰体碰撞的结构的动态响应,揭示了不同方案下船舶的损伤变形、碰撞力、能量吸收的规律和特性,提出了一种较优的抗冰载荷冲击结构形式。
【关键词】：船—冰碰撞 损伤变形 碰撞力 能量吸收 抗冲击结构
【学位授予单位】：江苏科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：U661.43
【目录】：

• 摘要6-8
• ABSTRACT8-16
• 第1章 绪论16-25
• 1.1 论文的研究背景和意义16-19
• 1.1.1 船—冰碰撞事故16-17
• 1.1.2 北极航道的开辟17-19
• 1.2 国内外研究现状与进展19-23
• 1.2.1 海冰的物理性质和力学特性研究19-21
• 1.2.2 船舶与海冰的碰撞研究21-22
• 1.2.3 冰载荷作用下的抗冲击设计研究22-23
• 1.3 本文的主要研究内容和创新点23-25
• 1.3.1 本文的主要研究内容23-24
• 1.3.2 本文的创新点24-25
• 第2章 船—冰碰撞数值仿真技术研究25-37
• 2.1 引言25
• 2.2 有限元基本原理25-29
• 2.2.1 有限元软件简介25-26
• 2.2.2 显式有限元分析方法26-27
• 2.2.3 显式与隐式求解方法27-28
• 2.2.4 有限元分析算法28-29
• 2.3 船舶的有限元模型处理技术29-32
• 2.3.1 船舶概况29-30
• 2.3.2 结构简化30-31
• 2.3.3 网格划分31
• 2.3.4 接触定义31-32
• 2.4 基于LS-DYNA的船冰碰撞材料32-36
• 2.4.1 船体材料特性及失效准则32-33
• 2.4.2 冰体的材料模型与本构关系33-36
• 2.5 本章小结36-37
• 第3章 基于规范的冰区船舶肩部结构形式设计研究37-56
• 3.1 引言37
• 3.2 船—冰碰撞性能评判指标37-38
• 3.3 船舶与冰体碰撞方案设计38-40
• 3.3.1 冰体的形状38-39
• 3.3.2 碰撞方案39-40
• 3.3.3 船、冰质量控制与附连水质量40
• 3.4 未进行冰区结构加强碰撞响应研究40-44
• 3.4.1 碰撞损伤变形41-42
• 3.4.2 碰撞力42-43
• 3.4.3 能量吸收43-44
• 3.5 冰级规范下肩部结构加强设计44-49
• 3.5.1 冰级定义及划分44
• 3.5.2 冰带区域的划分44-45
• 3.5.3 设计载荷的确定45
• 3.5.4 冰区加强外板的垂直范围及板厚计算45-47
• 3.5.5 外板骨材加强垂直范围的确定及剖面模数计算47-49
• 3.6 加强方式对船—冰碰撞的影响49-55
• 3.6.1 加强方式及碰撞方案49-50
• 3.6.2 碰撞损伤变形50-52
• 3.6.3 碰撞力52-53
• 3.6.4 能量吸收53-54
• 3.6.5 小结54-55
• 3.7 本章小结55-56
• 第4章 船舶结构冰区加强方案研究56-73
• 4.1 引言56
• 4.2 外板厚度对船—冰碰撞的影响56-62
• 4.2.1 碰撞方案56-57
• 4.2.2 碰撞损伤变形57-59
• 4.2.3 碰撞力59-60
• 4.2.4 能量吸收60-62
• 4.3 横隔板厚度对船—冰碰撞的影响62-66
• 4.3.1 碰撞方案62
• 4.3.2 碰撞损伤变形62-64
• 4.3.3 碰撞力64-65
• 4.3.4 能量吸收65-66
• 4.4 肋骨间距对船—冰碰撞的影响66-71
• 4.4.1 碰撞方案67
• 4.4.2 碰撞损伤变形67-69
• 4.4.3 碰撞力69-70
• 4.4.4 能量吸收70-71
• 4.5 不同加强方案之间的对比分析71-72
• 4.6 本章小结72-73
• 第5章 冰撞载荷作用下新型夹芯抗冲击结构设计研究73-84
• 5.1 引言73
• 5.2 夹层板简介73-76
• 5.2.1 金属夹层板74-76
• 5.2.2 复合夹层板76
• 5.3 新型抗冲击结构有限元模型76-78
• 5.4 碰撞方案78-79
• 5.5 计算结果及分析79-83
• 5.5.1.碰撞损伤变形79-80
• 5.5.2.碰撞力80-81
• 5.5.3.能量吸收81-83
• 5.6 本章小结83-84
• 第6章 总结与展望84-88
• 6.1 主要研究工作及结论84-86
• 6.1.1 本文主要的研究工作84-85
• 6.1.2 本文主要的研究结论85-86
• 6.2 进一步研究工作展望86-88
• 参考文献88-92
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文92-93
• 致谢93

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前2条

1 黄焱;田育丰;;钢管桩防腐护甲的冰磨蚀试验[J];天津大学学报;2013年04期

2 张宇明,李德祥;大型船舶冰区结构加强技术研究[J];造船技术;2000年02期

中国硕士学位论文全文数据库 前1条

1 周红;冲击载荷下SPS夹层板系统损伤特性研究[D];江苏科技大学;2013年

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本文编号：456324