基于SPH--FEM耦合算法的海冰--海洋结构物相互作用过程研究

摘要

冰区海洋结构物冰载荷的计算是极地工程最为关心的问题之一，冰载荷的准确计算直接关系到结构物的安全性，对冰区海洋结构物的结构设计具有指导意义。数值模拟方法是冰载荷计算最为有效的方法之一，传统的有限元方法具有算法成熟、计算效率高的特点，但在模拟大变形问题时会出现网格畸变、负体积等一系列问题，影响模拟结果的准确性，海冰破坏正属于这样的大变形问题，光滑粒子流体动力学(SPH)作为一种无网格计算方法，在处理大变形问题上有很大优势，将两种方法进行结合可充分发挥两者的优势。本论文的主要研究内容包括: 对光滑粒子流体动力学及非线性有限元理论进行了简要阐述，对比了两种方法在模拟固体材料平板冲击过程中的应力应变情况;介绍了两种SPH-FEM耦合方法:虚粒子耦合方法和固连接触耦合方法，模拟了三维耦合梁的三点弯曲现象，讨论了耦合界面处物理量的连续性。 引入用于模拟易碎材料的Johnson-HolmquistⅡ材料模拟海冰，介绍了材料的本构模型与参数选取过程，分析了主要参数对材料强度的灵敏度;根据所选材料参数对海冰的单轴压缩与冰锥的压缩现象进行了模拟，并与实验结果进行对比，验证所选本构模型的合理性。 基于SPH-FEM耦合方法与海冰本构模型，对渤海JZ20-2MUQ海洋平台的冰载荷进行了数值模拟，将模拟结果与ISO规范计算结果进行了对比，两者得到的冰载荷基本一致;对破冰船航行于层冰中的冰载荷进行了数值模拟，分析了冰载荷的影响因素。 对船舶舷侧板架与冰碰撞进行了数值模拟，模拟了船舶舷侧板架在海冰作用下的结构响应，包括板架应力与变形，分析了冰体形状、碰撞位置、碰撞速度等因素对模拟结果的影响。 最后，对论文的研究内容进行了总结与展望。

目录

声明

摘要

第1章绪论

1．1课题研究背景及意义

1．2国内外研究现状

1．2．1冰载荷研究现状

1．2．2 SPH-FEM耦合方法研究现状

1．3本文主要研究内容

第2章SPH-FEM耦合算法研究

2．1 SPH方法基本理论

2．1．1 SPH方法基本方程

2．1．2光滑核函数

2．2非线性有限元基本理论

2．2．1动力学基本方程

2．2．2 ALE算法

2．2．3接触-碰撞原理

2．3 SPH-FEM耦合算法的实现

2．3．1虚粒子耦合方法

2．3．2固连接触耦合方法

2．4 SPH算法在固体力学中的应用

2．4．1二维固体材料冲击刚性面模拟

2．4．2三维耦合梁三点弯曲模拟

2．5本章小结

第3章海冰SPH-FEM耦合数值模型验证

3．1海冰力学性质

3．1．1海冰压缩强度

3．1．2海冰弯曲强度

3．1．3海冰剪切强度

3．1．4海冰弹性模量与泊松比

3．2海冰破碎本构模型及参数选取

3．2．1 Johnson-Holmquist Ⅱ材料模型概述

3．2．2 Johnson-Holmquist Ⅱ参数选取

3．3海冰本构模型数值验证

3．4本章小结

第4章海洋平台及破冰船冰载荷数值模拟

4．1锥形平台冰载荷数值模拟

4．1．1单锥体结构冰载荷数值模拟

4．1．2与ISO 19906冰载荷规范对比分析

4．1．3冰载荷影响因素分析

4．1．4多桩腿结构冰载荷的遮蔽效应及运动响应

4．2破冰船冰载荷数值模拟

4．2．1数值模型的建立

4．2．2破冰过程数值模拟

4．2．3船速及冰厚对冰载荷的影响

4．3本章小结

第5章船舶舷侧板架与冰碰撞数值模拟

5．1舷侧板架——冰体碰撞数值模拟

5．1．1碰撞情形及模型参数

5．1．2数值模拟结果分析

5．2舷侧板架——冰体碰撞敏感性分析

5．2．1冰体形状对模拟结果的影响

5．2．2作用位置对模拟结果的影响

5．2．3冰体速度对模拟结果的影响

5．3本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的学术成果

致谢