船舶与冰脊碰撞非线性有限元研究

摘要

全球气温逐年攀升，两极冰川不断融化，对极地资源开发和航运业发展带来了极大的机遇，同时也伴随着巨大的考验。船舶在极地航行时不可避免与海冰发生碰撞，这将严重威胁冰区船舶的安全航行，为保证冰区船舶的安全性，针对冰载荷开展研究具有重要意义。冰脊一般尺寸较大，相较于平整冰会对船体产生更为巨大的载荷，在许多海上结构物与冰相互作用的计算中起到关键作用，因此结合冰脊几何尺寸特点与力学特性建立船-冰脊相互作用模型具有重要意义。 本文基于非线性显示有限元商业软件ls-dyna对船-冰脊相互作用进行研究，得到船体所受冰载荷及船、冰能量变化等数据，对其进行整理得出对极地冰区船舶航行的一些建议。 首先，对冰脊几何形态及力学特性、船-冰脊碰撞研究方法进行了概述，分别对其研究现状，研究方法的优缺点进行大致阐述，在数值模拟方法中针对有限元，离散元等现有的几种的主流数值方法进行了简介。 其次考虑冰脊的主要变形与失效机制，开发新的冰脊材料本构模型。采用弹塑性本构模型，对屈服函数、流动法则和破坏准则进行添加与修正，利用半隐式径向回归算法建立冰脊的本构方程，嵌入ls-dyna软件完成二次开发。此外，对决定冰脊初始失效强度的粘聚力峰值进行试验研究。并利用自定义的冰脊材料数值模型与冰脊模型试验结果进行对比，验证冰脊材料的正确性。 最后基于破冰船和冰脊的有限元数值模型，对冰脊与船体多次撞击过程中冰脊的材料力学性质变化与累计损伤及船体结构动态响应进行研究，在ls-dyna中实现对船与冰脊多次撞击的数值模拟，对船舶和冰脊的变形损伤、能量变化以及船所受冰载荷等相关数据进行分析总结。研究结果对分析船舶与冰脊碰撞的结构性能具有一定的参考价值。

目录

声明

摘要

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冰脊结构与力学特性研究进展

1．2．2船体与冰脊相互作用的研究方法进展

1．3本文主要研究内容

第2章冰脊力学特性及数值模型研究

2．1冰脊材料性质

2．1．1冰脊结构

2．1．2冰脊力学特性

2．2冰脊本构方程研究

2．2．1冰脊主要变形与失效形式

2．2．2弹塑性本构模型

2．2．3屈服函数修正

2．2．4塑性流动

2．2．5自定义破坏准则

2．2．6嵌入ls-dyna程序

2．3冰脊粘聚力峰值研究

2．3．1冰块冻结键强度实验

2．3．2冰块冻结力与冰脊粘聚力转换

2．4材料模型验证

2．5本章小结

第3章船与冰脊相互作用数值模拟

3．1基于有限元的冰脊多次撞击问题

3．1．1多次撞击过程中冰脊力学性能变化

3．1．2非线性有限元控制方程

3．1．3显式中心差分算法

3．1．4基于ls-dyna的多次撞击问题数值模拟

3．2船-冰脊多次撞击数值模拟及结果分析

3．2．1船-冰脊互作用工况

3．2．2破冰结果分析

3．2．3冰载荷结果分析

3．2．4吸能结果分析

3．3本章小结

第4章船-冰脊碰撞结构强度评估

4．1破冰船与冰脊碰撞艏部结构动力响应分析

4．1．1研究对象

4．1．2研究对象材料属性

4．1．3船冰模拟的边界条件

4．2船-冰脊碰撞艏部结构动态响应分析

4．2．1结构损伤分析

4．2．2冰载荷结果分析

4．2．3吸能结果分析

4．3破冰船-冰脊碰撞结构响应影响因素分析

4．3．1船速对破冰船-冰脊碰撞结构响应的影响

4．3．2冰脊厚度对破冰船-冰脊碰撞结构响应的影响

4．4本章小结

总结与展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢