水介质中船冰碰撞简化计算方法及船体结构失效模式研究

摘要

随着全球气温的升高，北极海域的大部分冰层逐渐融化，极地地区贮藏的丰富资源和极具价值的北极航道已成为各国的焦点，因此极地船舶的需求大大增加。极地运输船舶核心关键基础问题的研究代表了一个国家船舶建造业的水平，制约一个国家的话语权，影响着世界新格局。中国在极地船舶研发建造能力方面还有很大提升空间，政府和学术界着重提出今后极地船舶的重点研究对象为极地原油运输船和极地甲板运输船。船舶是水上的一种重要的交通运输工具，在其航行中遇到的碰撞过程必然受其周围水域影响。目前对于船冰碰撞的研究，大多数学者通常使用附连水质量法代替水介质的作用，而忽略船冰碰撞过程中水压变化的影响。综上所述，一方面开展船水冰耦合技术研究，另一方面进行船体板架碰撞载荷下失效模式与载荷预报的研究，对于提高极地船舶的结构安全性具有重要的科学意义，是极地运输船舶亟待解决的核心关键基础问题。本文主要工作内容如下： (1)分析船-冰会遇过程中所使用的理论及数值方法。阐述三维粘性流体运动的基本控制方程、两方程模型中的RNG k-ε模型的控制方程及参数设定和自由液面-VOF模型。之后介绍流场的数值解法和动网格技术，最后对数值波浪水池做了简要阐述。 (2)研究了船-冰会遇过程中的水动力相互作用以及水介质中船冰碰撞简化计算方法。应用FLUENT软件并结合滑移网格和动网格方法，采用RNG k-ε模型，求解出非定常RANS方程，对海冰-波浪与船舶相互作用下船冰会遇粘性流场进行了数值模拟，分析了舷侧外板水压力分布以及尾流场信息。通过不同设计工况下数值模拟，实时预报不同投影面积、船舶速度下各监测面的压力变化，并回归出碰撞接触瞬间(船冰还未接触时)监测面的压力预报公式的，做到快速简化计算船冰碰撞问题，为后期的舷侧结构失效模式研究奠定基础。 (3)研究船-冰碰撞数值仿真技术以及冰载荷下舷侧结构失效模式。以极地航行油船舷侧结构作为研究对象，建立不同场景下的船-冰碰撞数值模型，基于本文预加水压力的简化计算方法，采用有限元分析软件LS-DYNA分析了舷侧结构在与正方体冰山脊面的碰撞事故下的失效模式。 (4)研究楔形撞头撞击板的简化解析计算。简要介绍简化解析的基本理论，并给出解析求解的基本流程；然后提出一个楔形撞头撞击平板的解析模型，为了考虑宽度方向和长度方向的耦合将板的变形分成三个区域简化计算，使解析方法简单可行，并结合数值模拟以及实验数据来验证此解析的有效性，在此基础上，提出舷侧外板受冰体脊面撞击的解析计算，并通过冰体正撞船体舷侧的数值模拟进行对比验证。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1两物体水动力相互作用研究进展

1.2.2 船冰碰撞研究进展

1.3 本文主要研究内容和创新点

1.3.1 本文主要研究内容

1.3.2 本文主要创新点

第2章 三维粘性流的基本理论和数值计算方法

2.1 引言

2.2 流场数学模型

2.2.1 基本控制方程

2.2.2 湍流模型

2.2.3 自由液面-VOF计算模型

2.3 流场的数值计算方法

2.3.1控制方程的离散

2.3.2 压力速度耦合问题的有限体积法

2.4 动网格技术

(1) 弹簧近似光顺模型

(2) 动态层模型

(3) 局部网格重划模型

2.5数值波浪水池

2.5.1 数值造波理论

2.5.2 数值消波

2.6本章小结

第3章 波浪中船冰会遇及碰撞简化计算方法研究

3.1 引言

3.2 计算模型

3.2.1 物理模型

3.2.2 计算网格

3.2.3 边界条件设置

3.2.4 监测面设置

3.3 船冰相对运动的数值模拟

3.3.1 不同时刻水汽两相云图

3.3.2 船体表面压力

3.3.3 各监测面压力变化曲线

3.4 舷侧外板各监测面压力载荷预报

3.5 本章小结

第4章 船-冰碰撞载荷下船体舷侧结构失效模式研究

4.1 引言

4.2 LS-DYNA理论基础

4.2.1 显示求解分析方法

4.3 模型建立

4.3.1 船体有限元模型的建立

4.3.2 冰层的计算模型

4.3.3 接触算法与摩擦系数

4.3.4 预压力施加

4.4 船冰的材料参数和失效准则

4.4.1 船体的材料属性和失效准则

4.4.2 海冰的材料参数与失效准则

4.4.3 冰山材料模型合理性验证

4.4.4 碰撞场景及碰撞参数

4.5 碰擦下船体失效模式分析

4.5.1 舷侧结构损伤变形

4.5.2 舷侧碰撞力时历曲线

4.5.3 能量吸收

4.5.4 碰擦下船体结构失效模式

4.6 正撞下船体失效模式分析

4.6.1 舷侧结构损伤变形

4.6.2 舷侧碰撞力时历曲线

4.6.3 能量吸收

4.6.4 正撞下船体结构失效模式

4.7 碰擦与正碰下仿真结果分析

（1）碰撞力

（2）损伤变形

（3）能量吸收

（4）失效模式

4.8 本章小结

第5章 冰载荷下舷侧外板失效的简化解析计算

5.1 引言

5.2 简化解析基本理论

5.2.1 简化解析基本思路与假设

5.2.2 计算方法

5.3 一种新的板受楔形撞头侧撞的解析计算与验证

5.3.1 板受楔形撞头的简化解析模型

5.3.2 新解析预报模型的验证与分析

5.4 舷侧外板受楔形撞头侧撞的解析计算与验证

5.4.1 舷侧外板结构损伤变形的简化解析计算

5.4.2 解析计算结果与船冰碰撞数值结果的对比

5.5 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 本文研究工作总结

6.2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文

致谢