基于近场动力学与有限元耦合的破冰船冰载荷计算

摘要

随着极地自然资源的开发和北极航道的开通，极地的战略地位日益突出，极地的研究与开发已经成为了当前研究的热点问题。破冰船冰载荷计算对极地研究与开发具有重要意义，其中，数值模拟方法是当前冰载荷计算的有效方法之一。在目前应用海冰模拟的数值方法中，有限元方法应用最为广泛但在模拟海冰的复杂破坏过程中存在一定的局限性，近场动力学方法对破坏问题具有非常好的适用性但在计算效率上远远不如有限元方法。因此，为了在冰载荷数值计算中充分发挥近场动力学的裂纹模拟优势和有限元方法的计算效率优势，本文对近场动力学和有限元耦合方法及算法在冰载荷计算上的应用进行了研究，主要研究工作包括:
　　对近场动力学理论及其数值应用进行了阐述，并通过对准静态算例的数值应用验证了方法的准确性;根据冰的力学性质和相关实验数据提出了适用于高加载速率情况的冰弹脆性近场动力学模型，并通过冰三点弯曲试验的模拟证明弹脆性模型能够有效地模拟冰变形到破坏整个过程的力学行为。
　　对近场动力学与有限元耦合方法进行了研究并采用Fortran程序进行了实现，通过几个算例的数值模拟，证明耦合方法能够准确地模拟计算拉伸、弯曲等变形行为和裂纹扩展等失效行为，并且能够很好地保证近场动力学模型与有限元模型之间的力传递和位移协调;同时还对算法的计算效率进行了验证，证明耦合方法能够同时发挥近场动力学对裂纹的适用性和有限元方法的计算效率。
　　基于数值方法和数值模型的研究成果，采用近场动力学与有限元耦合方法对破冰船连续破冰过程进行了数值模拟。对计算结果进行了分析和讨论，将计算所得冰载荷与经验公式进行了对比，对冰载荷的影响因素进行了分析与研究。

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冰载荷计算方法研究现状

1．2．2近场动力学研究现状

1．3本文主要研究内容

第2章近场动力学理论及数值方法

2．1近场动力学理论

2．1．1理论概述

2．1．2基本方程

2．1．3本构模型

2．1．4破坏引入

2．2近场动力学数值应用

2．2．1数值离散

2．2．2时间积分方法

2．2．3修正系数

2．2．4边界条件

2．3本章小结

第3章海冰近场动力学模型建立

3．1海冰的力学性质

3．1．1海冰的拉伸强度

3．1．2海冰的压缩强度

3．1．3海冰的弯曲强度

3．1．4海冰的弹性模量

3．1．5海冰的韧脆转换

3．2近场动力学方法的验证

3．2．1近场动力学的静态和准静态问题求解策略

3．2．2动态松弛法

3．2．3动态松弛法在近场动力学中的应用

3．2．4算例验证

3．3冰三点弯曲试验数值模拟

3．3．1冰三点弯曲试验

3．3．2海冰的弹脆性模型

3．3．3数值模拟

3．3．4结果分析

3．4本章小结

第4章近场动力学与有限元耦合方法研究

4．1近场动力学与有限元耦合

4．1．1有限元与近场动力学计算效率比较

4．1．2近场动力学与有限元耦合方法概述

4．2耦合方案

4．3三维杆梁的变形数值模拟

4．3．1数值模型

4．3．2结果分析

4．3．3梁弯曲变形模拟

4．4预裂纹二维平板的破坏模拟

4．4．1数值模型

4．4．2结果对比和分析

4．5本章小结

第5章破冰船连续破冰过程冰载荷数值计算

5．1引言

5．2数值实现

5．2．1数值模型

5．2．2有限元与近场动力学的接触模型

5．2．3模拟计算

5．3模拟结果分析

5．3．1冰层破坏

5．3．2冰载荷分析

5．4冰载荷影响因素探究

5．4．1冰厚对冰载荷影响研究

5．4．2船速对冰载荷影响研究

5．5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科研成果

致谢