基于离散元—有限元耦合方法的海洋平台结构冰激振动分析

发布时间：2020-05-17 16:49

【摘要】：在寒区海域,冰载荷是影响海洋结构安全运行的主要环境载荷之一,由其引起的冰激振动给海洋结构及其上部生产设备带来了严重危害。如何合理确定海洋结构的冰激振动响应是其结构设计、疲劳分析以及安全预警的关键。海冰与海洋结构相互作用过程中,同时涉及到海冰破碎的非连续介质特性以及海洋结构振动的连续介质特性,给数值仿真带来困难。为此,本文提出了一种针对海洋平台结构冰激振动的数值方法。为分析寒区海洋结构的冰激振动,本文建立了海冰与海洋结构相互作用的离散元(DEM)-有限元(FEM)耦合模型。采用具有粘结-破碎性能的球体离散单元对海冰的破碎特性进行模拟;通过由梁单元、平板型壳单元以及六面体实体单元构建的海洋平台有限元模型,获得了结构振动及应力分布等信息;在DEM与FEM界面处实现了耦合参数的传递;为提高耦合模型的计算效率和规模,分别发展了基于区域分解法(DDM)的耦合模型以及基于GPU并行的高性能耦合模型;在此基础上,通过DEM-FEM耦合模型对海洋平台结构的冰激振动特性展开研究。本文的主要研究内容如下:(1)海洋平台结构冰激振动的DEM-FEM耦合模型针对海冰的破碎特性,采用具有粘结-破碎性能的球体离散单元对其进行描述。海洋结构有限单元模型分别通过梁单元、平板型壳单元以及六面体实体单元构建。在耦合界面上发展了相应的接触算法和耦合参数传递算法。利用球体冲击以及弹性杆碰撞算例验证了DEM-FEM耦合模型的合理性。最后,将DEM-FEM耦合模型应用在船舶螺旋桨切削海冰的问题中,模拟了海冰-螺旋桨在空气中的切削过程,分析了切削过程中海冰的破坏过程、冰载荷、螺旋桨结构的应力分布。(2)基于DDM的DEM-FEM耦合模型为解决DEM-FEM耦合模型中计算步长较小导致的耗时问题,引入DDM的思想,根据结构有限单元是否可能与离散单元接触划分子区域,实现了DEM-FEM耦合模型在不同计算区域采用不同计算时间步长。采用该方法模拟了海冰与锥体导管架海洋平台的相互作用,通过对比不词时间步比率下的结构冰载荷以及冰激振动加速度,证明了该算法在模拟海洋结构冰激振动中的稳定性;通过对比不同时间比下的计算时间,表明了该算法的高效性。(3)基于GPU并行的DEM-FEM耦合算法为提高DEM-FEM耦合模型的计算效率和规模,采用GPU并行计算技术对离散单元与有限单元间的全局搜索、有限单元刚度阵组装、动力方程求解以及界面耦合参数传递进行了 GPU并行化。本文分别采用海冰与锥体结构的相互作用、悬臂梁横向振动和弹性杆碰撞算例,对改进后GPU并行算法的计算精度和效率进行了对比分析,其具有良好的计算精度和加速比。(4)海洋平台结构的冰激振动特性研究基于DEM-FEM耦合模型对寒区海洋平台结构的冰激振动特性展开分析,模拟了不同类型海洋平台与海冰的相互作用。通过海冰DEM模型得到了不同冰向下多桩腿平台结构的冰载荷,分析讨论了多桩结构冰载荷遮蔽效应的产生机理;对渤海多桩腿锥体和单桩腿锥体两种导管架海洋平台结构的冰激振动特性进行了讨论分析;将不同冰况下得到的冰载荷和冰激振动加速度与相应的经验公式和实测数据对比,验证了DEM-FEM耦合模型的合理性,模拟结果表明结构冰激振动加速度与冰速和冰厚平方的乘积呈线性关系。最后,对DEM-FEM耦合方法以及寒区海洋结构冰激振动的研究工作进行了总结,讨论了后续研究的主要问题。
【图文】：

海冰,应力关系,单轴压缩,应变率

Ｆｉｇ．邋１．２邋Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ邋ｂｅｔｗｅｅｎ邋ｉｃｅ邋ｕｎｉａｘｉａｌ邋ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ邋ｓｔｒａｉｎ邋ｒａｔｅ邋ａｎｄ邋ｓｔｒｅｓｓａａｔｔａｎｅｎ（１９７８）给出了冰激自激振动的数学模型［３２］，对于单自由度的振ｍｕ邋＋邋ｃｉｉ邋＋邋ｋｕ邋—邋Ｆｇ邋（Ｖｊ邋—邋ｉｉ），Ｃ和Ａ：分别为结构的质量、阻尼和刚度；ｉｉ，逦和ｕ分别为结构的振移；Ｖ「为海１冰速度；＆为海冰与结构的作用力，由于海冰的压缩强，因此可表示。假设结构发生小变形，将＾按ＴａｙｌｏｒＰｃ（ｖｉ邋－ｕ）邋￣邋Ｆｇ（ｖ0邋＋邋＾邋（－ｉｉ）式（１．２）带入式（１．１）中，可写作：逡逑ｍｉｌ邋＋逦ｉｉ邋＋邋ｋｕ邋＝邋ＦＧ（ｔ７ｊ）当＃的负值大于阻尼常数时，“负阻尼”会影响结构振动。逡逑ｄｕ逡逑

ＮｏｒｓｔｒＳｍｓｇｒｕｎｄ灯塔于１９７１年在Ｂｏｔｎｉａ湾设置，，灯塔的实际图片和几何结构如图１．３逡逑所示。在１９７１－１９７２的冬季，灯塔上的工作人员观察到冰与灯塔作用后，结构发生了剧逡逑烈的震荡。在第一个冬季，监测到该灯塔产生的最大振动加速度为０．１邋ｇ，频率约为２．８邋Ｈｚ逡逑的振动１３９］。随后，围绕Ｎｏｒｓｔｒ６ｍｓｇｒｕｎｄ灯塔的冰激振动开展了一系列的研宄项目，如逡逑“ＬＯＬＥＩＦ”和“ＳＴＲＩＣＥ”＿。逡逑
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：P75

【参考文献】