船舶碰撞载荷及结构响应分析方法研究

摘要

船舶与船舶/海洋平台和船舶与冰的碰撞是一类常见且后果严重的海洋事故。碰撞事故会破坏海洋结构物和船舶结构的完整性，污染海洋环境，甚至威胁海洋从业人员的生命安全。合理地认识碰撞机理，可以有效地避免或者减小因为碰撞而导致的结构损害以及其他严重后果，降低经济损失。本文的工作主要是研究船舶碰撞载荷及结构响应分析方法，从而为船舶结构的抗撞设计提供参考依据。
　　由于船舶碰撞问题的复杂性，通常将碰撞力学机理分解为外部机理和内部机理。碰撞外部机理通过分析碰撞船舶的刚体运动，研究碰撞中的能量耗散和冲量变化;碰撞内部机理则研究碰撞过程中的碰撞力、结构变形和塑性变形能的吸收过程。这种分解方法将碰撞问题简化，在一定情况下可以快速有效地处理船舶碰撞问题。全耦合方法即流体-结构耦合方法，同步分析船舶碰撞的外部机理和内部机理，能够更加准确地预测碰撞后的结构响应。本文分别从船舶碰撞的外部机理、内部机理和流体-结构耦合三个方面进行了船舶碰撞载荷及结构响应分析方法研究，考虑了多种船冰、船船碰撞情景。
　　冰区船舶设计初期，快速预测出不同碰撞工况下船舶-冰山碰撞力是至关重要的。基于外部机理，本文提出一种简化解析法，对船艏与冰山倾斜碰撞中的碰撞力进行评估。该方法考虑了冰山、船舶的偏心率和摩擦的影响，其包含三个主要步骤:首先计算碰撞过程中的总能量耗散（包含法向和切向方向的能量）;其次建立能量耗散-撞深和碰撞力-撞深之间的关系;最终求解碰撞力。通过分别与Popov模型和Matskevitch模型进行对比，验证了该方法的准确性和适用性。此外，本文使用该方法对船艏与冰山碰撞算例进行研究，并重点关注冰山整体形状、船舶法向框架角度、冰压力-面积关系、摩擦系数和冰山局部形状对碰撞力的影响。计算结果表明，这些参数对碰撞力都有较大的影响。最后，将该方法与IACS规范和相关数值模拟进行比较，并详细分析了结果差异的原因，可为冰区航行船舶结构的抗撞设计提供参考。
　　为了快速评估事故极限状态下浮冰撞击时的船舶舷侧结构响应，本文通过分析不同碰撞阶段中的冰压力-面积曲线特征，提出了一种新的简化均压方法，能够预测舷侧结构的最大撞深和能量耗散。本文采用完整非线性有限元分析方法作为参考来验证该方法，其中采用冰载荷经验公式校准了完整非线性有限元数值模拟中的冰材料模型，并且从冰压力分布和冰破碎比能特性两方面对该模型进行了验证。结果表明，本文提出的新简化均压法可作为设计初期评估冰区船舶结构强度的有效快速方法。
　　为了更加准确地分析碰撞动态响应，本文基于LS-DYNA程序中的任意拉格朗日欧拉方法，对冰块与浮体结构碰撞问题进行了流体-结构耦合方法研究，其中分别验证了冰材料模型和LS-DYNA流体模型。更为重要的是，研究了流体-结构耦合方法与恒定附加质量方法在评估碰撞响应中的差异，采用试验数据对这两种方法进行了验证和衡量。结果表明，流体-结构耦合方法能够真实地模拟碰撞过程，从而更加准确地预测了碰撞结果，而恒定附加质量方法过高地预估了碰撞力峰值和冰吸收的总能量。
　　为了完善船船碰撞问题研究，本文进行了全尺度船船碰撞流体-结构耦合数值模拟分析，全面考虑了两整船与周围流体（水和空气）的相互耦合作用，更加准确地评估了被撞船前进速度、被撞船质量以及碰撞角度对碰撞结果的影响，揭示了被撞船前进速度的重要性。此外，在被撞船静止以及被撞船具有前进速度的两种工况下，更加深入地研究了流体-结构耦合法、恒定附加质量法以及基于动量守恒的解析法之间的差异，并且分析了产生差异的原因。结果表明，对于简单的碰撞情景，因恒定附加质量法具有应用简单、计算效率快等特性，可优先考虑。但是，对于较复杂的碰撞情景，应使用更加准确的流体-结构耦合法。这些数值分析结果将为船舶碰撞非线性有限元数值研究提供指导意义。

目录

声明

摘要

图目录

表目录

主要符号表

1 绪论

1．1 研究背景

1．2 船舶碰撞研究方法

1．2．1 试验法

1．2．2 简化解析法

1．2．3 数值模拟法

1．3 船舶碰撞机理研究现状

1．3．1 外部机理

1．3．2 内部机理

1．3．3 耦合方法

1．3．4 方法对比

1．4 本文工作

2 船舶碰撞数值模拟的基本理论及关键技术

2．1 基本理论

2．2．2 欧拉方法

2．2．3 ALE方法

2．3 LS-DYAN接触定义

2．3．1 接触算法

2．3．2 接触类型

2．4 LS-DYNA材料模型

2．4．1 船舶钢结构材料模型

2．4．2 冰材料模型

2．4．3 空气和水的材料模型

2．5 LS-DYNA流体-结构耦合方法

2．5．1 ALE算法

2．6 本章小结

3 考虑滑移影响的船艏-冰山碰撞力预测方法研究

3．1 引言

3．2 模型描述

3．2．1 计算步骤

3．2．2 能量耗散的计算

3．2．3 能量耗散和碰撞力的关系

3．3 方法验证

3．4 算例分析

3．4．1 总能量耗散

3．4．2 碰撞力

3．4．3 摩擦系数的影响

3．4．4 冰山局部形状的影响

3．4．5 与设计冰载荷的比较

3．4．6 与Gagnon和Wang工作的比较

3．5 本章小结

4 事故极限状态下浮冰撞击船舶舷侧的新简化均压方法研究

4．1 引言

4．1．1 设计考虑

4．1．2 目标和方法

4．2 新简化均压法

4．2．1 模型描述

4．2．2 方法步骤

4．3 完整非线性有限元分析方法

4．3．1 冰材料模型的校准

4．3．2 冰材料模型的验证

4．3．3 结果分析

4．4 新简化均压方法的验证

4．5 讨论

4．6 本章小结

5 冰与结构碰撞的流体-结构相互作用分析

5．1 引言

5．2 恒定附加质量法和流体-结构耦合法

5．2．1 恒定附加质量法

5．2．2 流体-结构耦合法

5．3．2 冰块-结构碰撞数据

5．4 流体-结构耦合法分析

5．4．1 有限元建模

5．4．2 冰块和浮体的材料模型

5．4．3 冰材料模型的验证

5．4．4 LS-DYAN流体模型的验证

5．4．5 流体-结构耦合技术的验证

5．4．6 周围水的影响

5．4．7 水材料模型的影响

5．5 恒定附加质量法分析

5．5．1 数值模型设置

5．5．2 结果分析

5．6 数值模拟与试验结果的比较

5．6．1 浮体加速度

5．6．2 碰撞力

5．6．3 冰块的能量耗散

5．6．4 CPU时间

5．7 讨论

5．8 本章小结

6 船舶与船舶碰撞的流体-结构相互作用分析

6．1 引言

6．2 流体-结构耦合数值模型设置

6．3 流体-结构耦合法结果分析

6．3．1 被撞船前进速度的影响

6．3．2 被撞船质量的影响

6．3．3 碰撞角度的影响

6．4 解析法、恒定附加质量法和流体-结构耦合法的比较

6．4．1 解析方法

6．4．2 恒定附加质量法

6．5 波浪对船舶碰撞的影响

6．5．1 作用于船舶上的波浪载荷

6．5．2 船舶碰撞数值模型

6．5．3 结果分析

6．6 讨论

6．7 本章小结

7 结论与展望

7．1 全文总结

7．2 创新点摘要

7．3 研究展望

参考文献

附录

攻读博士学位期间科研项目及科研成果

致谢

作者简介