应用可视化技术研究近海建筑物前海冰堆积过程

摘要

对海冰的断裂、重叠和堆积问题研究是海冰数值模拟和预测、近海结构海冰设计参数可靠性分析的重要内容.由于渤海海冰以动力特征为主,在一定条件下,大面积的浮冰在风和流等诸海洋动力因素的作用下会在建筑物前发生断裂、重叠和堆积.该文根据渤海海冰的特点,研究了近岸海冰冰层在海洋动力因素作用下在斜坡式和半圆型防波堤前的断裂、重叠和堆积问题,并对海冰的堆积过程进行了可视化仿真.该文假定海冰为粘弹性体,基于海冰满足牛顿定律的动力学方程,在Hopkins的多边块体运动数值模拟基础上,依据海冰堆积经历了冰排运动、变形及断裂,断裂后形成一散体系统的特点,对冰排进行随机离散,利用离散元方法来模拟海冰的堆积过程,并确定合理的初始条件和边界条件,建立了海冰在斜坡式和半圆型结构物前堆积的数值模型.考虑到海冰爬升堆积过程需要很多几何参数和材质参数,并且数值模拟的输出结果包括海冰破碎后离散块体的位置坐标,整理这些数据既繁琐也不直观.为了优化程序,该文采用了可视化技术.即利用VC++的面向对象性质和OpenGL在图形处理方面的优势,实现数据文化的可视化生成,并且可以利用数值模拟地输出结果实现海冰堆积过程的可视化仿真.利用海冰运动模拟系统,对冰排与结构物作用分三个方面进行了分析:(1)不同坡度下斜坡式防波堤以及不同潮位下半圆型防波提前冰排断裂模式、堆积特征及作用于防波堤的冰力;(2)冰排以不同的初始速度分别在不同坡度斜坡式防波堤前以及不同潮位半圆型防波堤前冰排断裂模式、堆积特征、及作用于防波堤的冰力;(3)以不同的搜索频率分别在不同坡度斜坡式防波堤前以及不同潮位半圆型防波堤前冰排断裂模式、堆积特征及作用于防波堤的冰力.通过分析上述三种情况下冰排在斜坡式防波堤和半圆型防波堤前的冰排断裂模式、堆积特征及冰力特征,得到对海冰堆积过程的规律及其机理性的认识,为以后合理确定中国冰区海上工程建设中的海冰设计荷载提供了科学依据.

目录

文摘

英文文摘

1 绪论

1.1海冰对结构物作用的研究意义

1.2海冰堆积研究现状

1.3论文的主要内容

2 海冰堆积数值模型

2.1前言

2.2海冰堆积的简化模式

2.2.1海冰本构关系

2.2.2冰排断裂前内部作用力

2.2.3冰排断裂后离散块体间相互作用模式

2.2.4冰排动力学方程

2.2.5边界条件

2.3数值实现方法

2.3.1单元划分与边界设定

2.3.2搜索相邻块体

2.3.3冰排断裂前块体间内部作用力

2.3.4冰排离散后离散块体间作用力

2.3.5块体速度与位置

2.3.6堆积过程可视化

3 海冰堆积过程可视化系统的实现

3.1前言

3.2 Visual C++简介

3.3 OpenGL

3.3.1 OpenGL简介

3.3.2 OpenGL工作流程

3.3.3 OpenGL基本操作

3.4海冰堆积模拟系统

3.4.1前处理部分

3.4.2计算部分

3.4.3后处理部分

4 斜坡式防波堤前海冰堆积数值模拟

4.1前言

4.2 Croasdale 二维理论模型及冰排理论初始冰力与断裂长度

4.2.1二维理论模型

4.2.1初始冰力与断裂长度

4.3数值模拟结果

4.3.1斜坡式防波堤前海冰堆积模拟工况和主要模拟参数

4.3.2模拟计算域

4.3.3冰力过程曲线

4.4结论

5 半圆型防波堤前海冰堆积数值模拟

5.1前言

5.2数值模拟结果

5.2.1半圆型防波堤前海冰堆积模拟工况和主要模拟参数

5.2.2模拟计算域

5.2.3冰力过程曲线

5.3结论

6 结论与展望

6.1论文研究的主要成果

6.2存在问题及后续研究

参考文献

附录Ⅰ攻读硕士学位期间已发表的论文

附录Ⅱ海冰堆积过程可视化程序说明

致谢

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