船舶撞击作用下的重力式复合结构动力响应分析研究

摘要

随着跨国经济的快速发展，对外贸易量呈逐年增加的趋势。运量的增加以及对运输成本的要求使船舶大型化成为一种趋势。现有的港口已经越来越难以满足大型船舶的吃水要求，而自然条件优越的天然良港选址所剩无几，港口深水化建设不得不在风大浪高、环境恶劣的海域中进行，这对传统的码头结构型式提出了更高的挑战。重力式复合结构是一种新型码头结构，它结合了重力式结构与桩基结构的优点。目前，针对该结构的相关研究还处于初级阶段，国内尚未见其工程实例，为了给重力式复合结构的设计施工提供依据，需要开展大量的基础性研究。
　　由于上部结构的轻质性，船舶撞击是该结构的控制荷载。本文利用数值模拟的方法，研究斜桩-重力式复合结构的动力特性，重点分析其在船舶撞击作用下的响应情况，明确结构的刚度分布和受力机理。
　　通过大型有限元分析软件ANSYS-Workbench结合参数化语言APDL进行二次开发，建立了考虑流固耦合作用的斜桩-重力式复合结构三维数值模型，分析了结构的自振频率和振型，探讨了流固耦合作用对结构动力特性的影响。
　　利用显示动力学分析软件LS-DYNA模拟了船舶靠泊时，船舶-橡胶护舷-复合结构间的相互作用，得到了碰撞系统中各部分的位移、速度、应力和能量的时程变化曲线。
　　模拟船舶以不同靠泊角度、质量和速度撞击重力式复合结构，得到了结构的动力响应以及船舶撞击力的时程变化，探讨了不同靠泊因素对船舶撞击力和结构动力响应的影响。
　　基于位移法建立了重力式复合结构的刚度方程，求解了上部墩台的位移，为静力计算提供精度保证，利用静力计算模型得到了结构的位移和应力分布，并与动力计算结果进行对比，找到更为符合工程实际的计算模式。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 研究背景

1．2 研究现状

1．2．1 国内外应用情况

1．2．2 复合结构研究进展

1．2．3 船舶碰撞理论研究

1．2．4 流固耦合研究

1．3 本文研究工作

2 基本理论与方法

2．1 结构动力分析理论

2．1．1 码头结构动力分析

2．1．2 结构动力学分析基本方程

2．1．3 结构动力学分析分类

2．2 碰撞与接触

2．2．1 碰撞基本方程

2．2．2 接触基本方程

2．3 流固耦合

2．3．1 流体运动控制方程

2．3．2 固体控制方程

2．3．3 流固耦合方程

2．3．4 流固耦合问题求解

3 结构模态分析

3．1 模态分析方法

3．1．1 模态分析基础

3．1．2 ANSYS模态分析方法

3．2 重力式复合结构模态分析有限元模型的建立

3．2．1 重力式复合结构模型建立

3．2．2 数值模型材料选取

3．2．3 流固耦合模型建立

3．3 流固耦合模型验证

3．3．1 解析法求解单桩固有频率

3．3．2 计算结果分析

3．4 斜桩-重力式复合结构模态分析

3．4．1 模态分析模型选取

3．4．2 固有频率计算分析

3．4．3 振型计算结果分析

3．5 本章小结

4 船舶撞击作用下的结构动力响应

4．1 LS-DYNA简介

4．2 船舶-结构动力响应分析

4．2．1 计算模型的建立

4．2．2 船舶撞击力理论计算

4．2．3 船舶撞击力的时程分布

4．2．4 船舶撞击作用下结构位移时程分布

4．2．5 船舶撞击作用下复合结构的应力时程分布

4．2．6 船舶靠泊过程中的能量时程分布

4．2．7 船舶靠泊速度时程分布

4．3 本章小结

5 不同靠泊因素对结构动力响应的影响分析

5．1 计算工况

5．2 靠泊角度对结构动力特性的影响

5．2．1 靠泊角度对船舶撞击力的影响

5．2．2 靠泊角度对结构位移的影响

5．2．3 靠泊角度对结构应力的影响

5．3 靠泊速度对结构动力响应的影响

5．3．1 靠泊速度对船舶撞击力的影响

5．3．2 靠泊速度对结构位移的影响

5．3．3 靠泊速度对结构应力的影响

5．4 船舶质量对结构动力响应的影响

5．4．1 船舶质量对撞击力的影响

5．4．2 船舶质量对结构位移的影响

5．4．3 船舶质量对结构应力的影响

5．4．4 船舶速度与质量对结构动力响应的影响对比

5．5 本章小结

6 结构静、动力计算对比

6．1 基于位移法的结构计算

6．1．1 高桩承台计算基础

6．1．2 位移法计算墩台位移

6．2 空间实体模型静力计算

6．2．1 结构应力分布

6．2．2 重力式复合结构位移分布

6．2．3 计算结果对比

6．3 静、动力计算结果对比

6．4 本章小结

7 结论与展望

7．1 本文主要结论

7．2 研究展望

参考文献

致谢

个人简历

攻读硕士期间发表的学术论文与研究成果