冰载荷直接计算及破冰船破冰性能研究

摘要

近年来，随着人类经济活动的频繁，能源需求的增加，北极地区的石油、天然气等自然资源的开发逐渐得到很多大型石油公司的重视，北极正在成为一片热土。北极地区的开发利用将会给相关海洋装备带来巨大的市场需求，这就对北极地区运输装备与海洋开发装备的设计研发提出了更高的要求。冰载荷的研究是北极地区海洋装备的设计研发不可或缺的基础，本文通过数值方法对冰的部分力学特性进行了仿真分析，建立了冰载荷的直接计算法，并在此基础上对破冰船的破冰性能进行了仿真分析对比。
　　首先对海冰的形成及其晶体结构特性进行简介，并按照其结构特性对其进行分类介绍，详细阐述了每种类型冰的力学特性。
　　随后，简单阐述了本文所采用的有限元软件平台Abaqus Standard的用户自定义材料子程序UMAT，并对Abaqus的隐式分析过程和UMAT所使用的应力更新算法进行了介绍。
　　接着，利用有限元方法对海冰的弹性基础梁模型进行了分析，分别利用解析法和数值方法对冰的简单弯曲失效进行了分析。
　　然后，利用相关的冰失效准则，采用有限元软件 Abaqus中的用户自定义材料子程序UMAT，对冰的损伤进行了仿真分析，在此基础上对三种类型的破冰船船艏的破冰性能进行了分析，得到了破冰船破冰的过程及三种船艏的破冰阻力曲线。
　　最后，在对全文进行总结的基础上对未来的研究工作进行了相应的展望。

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1 绪 论

1.1研究背景和研究对象

1.2 国内外研究概况

1.3 冰区船舶发展现状

1.4 本文主要研究内容

2冰的力学特性及Abaqus自定义材料子程序UMAT分析

2.1引言

2.2海冰的形成和晶体结构

2.3海冰的力学特性

2.4用户自定义材料子程序UMAT

2.5 UMAT中的应力更新算法

2.6 本章小结

3 海冰的简单弯曲失效

3.1 引言

3.2海冰的简单弯曲失效理论分析

3.3冰的简单弯曲失效有限元分析

3.4海冰与斜坡结构的相互作用分析

3.5本章小结

4冰损伤数值模拟及冰载荷直接计算

4.1 引言

4.2冰的椭球面失效准则

4.3冰载荷的直接计算

4.4冰损伤的数值模拟

4.5 本章小结

5破冰船破冰性能分析

5.1 引言

5.2破冰船的设计开发

5.3破冰船船艏的有限元模型

5.4 冰的边界条件

5.5冰尺寸的选择

5.6 破冰船破冰性能计算

5.7 本章小结

6全文总结与展望

6.1 全文总结

6.2 对研究工作的展望

致谢

参考文献

附录1（攻读学位期间发表论文目录）