本文關(guān)鍵詞：基于非線性有限元方法的船舶—冰層碰撞數(shù)值研究

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【摘要】：隨著全球平均氣溫的升高,北極地區(qū)冰層融化速度加快,北極海洋運(yùn)輸及石油、天然氣等能源開(kāi)采成為可能,使得北極運(yùn)輸和能源開(kāi)發(fā)利用成為當(dāng)前的一個(gè)熱點(diǎn)問(wèn)題。適用于北極航行的船舶對(duì)于北極運(yùn)輸和能源開(kāi)發(fā)具有非常重要的意義;然而,船舶在極地航行時(shí)不可避免地會(huì)與海冰發(fā)生碰撞,而目前對(duì)于船-冰碰撞機(jī)理的研究尚不充分。因此,迫切需要開(kāi)展對(duì)極地船舶船-冰碰撞時(shí)的冰載荷預(yù)報(bào)研究。研究船舶冰載荷的方法有很多,如試驗(yàn)方法、數(shù)值方法、經(jīng)驗(yàn)方法等。在這些常用方法中,數(shù)值方法中的有限元法在碰撞領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用并且經(jīng)過(guò)了大量的驗(yàn)證。本文應(yīng)用基于非線性顯式有限元方法的商業(yè)軟件LS-DYNA對(duì)船-冰碰撞的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)響應(yīng)進(jìn)行研究,得到了船和冰的變形損傷、船體所受冰力以及船、冰的能量變化等相關(guān)數(shù)據(jù),并從這些數(shù)據(jù)中獲得了一些有意義的結(jié)論。首先,介紹了國(guó)內(nèi)外有關(guān)船舶冰載荷預(yù)報(bào)的方法和文獻(xiàn)資料,包括試驗(yàn)方法、數(shù)值方法和經(jīng)驗(yàn)方法的研究成果及研究動(dòng)態(tài)。其次,總結(jié)了運(yùn)用有限元法求解碰撞問(wèn)題的基本理論及關(guān)鍵技術(shù),介紹了非線性顯式有限元方法的發(fā)展歷程和商業(yè)軟件LS-DYNA的基本功能,闡述了本文所用到的三維網(wǎng)格算法,即Lagrange方法和ALE方法及其控制方程,介紹了動(dòng)力學(xué)控制方程和求解方法、顯式積分的時(shí)間步控制方法、接觸-碰撞問(wèn)題的計(jì)算方法,討論了本文所用材料的屈服條件。再次,運(yùn)用LS-DYNA軟件數(shù)值模擬了冰錐的擠壓試驗(yàn),冰材料模型選取各向同性彈塑性斷裂模型。通過(guò)改變冰體試樣的應(yīng)變率和尺寸等條件,將得到的數(shù)值計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較后,發(fā)現(xiàn)計(jì)算值的增長(zhǎng)趨勢(shì)與試驗(yàn)值保持一致,并且在一定程度上二者吻合較好。說(shuō)明本文所選用的冰材料可以用于船-冰碰撞的數(shù)值模擬。此外,通過(guò)建立某散貨船與冰層的三維有限元模型,模擬了船舶以一定初速度正面撞擊無(wú)限冰區(qū)冰層的情形,得到了船舶和冰層的變形損傷、能量變化以及船舶所受冰力等相關(guān)數(shù)據(jù)。分析了船舶初速度和冰層厚度對(duì)船-冰碰撞冰載荷的影響,研究結(jié)果對(duì)分析船舶與冰體碰撞的結(jié)構(gòu)性能具有一定的參考價(jià)值。最后,通過(guò)建立某破冰船與冰層的三維有限元模型,結(jié)合流固耦合的方法,分析了破冰船連續(xù)式破冰所受冰力和冰層的能量變化等特性,得到了船舶速度和冰層厚度等因素對(duì)船舶破冰過(guò)程的影響。并對(duì)比了楔形船艏和勺形船艏在破冰過(guò)程中的相關(guān)數(shù)據(jù),對(duì)破冰船型線設(shè)計(jì)給出了合理化建議。
【關(guān)鍵詞】：船-冰碰撞 結(jié)構(gòu)響應(yīng) 非線性有限元法 數(shù)值模擬
【學(xué)位授予單位】：上海交通大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：U661.4
【目錄】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-9
• 第一章 緒論9-14
• 1.1 課題背景及研究意義9-10
• 1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀10-12
• 1.3 本文的主要研究?jī)?nèi)容12-14
• 第二章 非線性有限元方法14-26
• 2.1 顯式有限元方法的發(fā)展14-15
• 2.2 LS-DYNA程序介紹15-16
• 2.3 ALE方法中的控制方程16-18
• 2.3.1 拉格朗日方法16
• 2.3.2 歐拉方法16
• 2.3.3 任意拉格朗日-歐拉方法16-18
• 2.4 有限元法的動(dòng)力學(xué)方程18-20
• 2.5 顯式積分的時(shí)間步長(zhǎng)20-21
• 2.6 接觸-碰撞的數(shù)值計(jì)算方法21-25
• 2.7 材料的屈服條件25
• 2.8 本章小結(jié)25-26
• 第三章 冰材料的數(shù)值模擬26-30
• 3.1 冰材料模型26
• 3.2 冰材料的數(shù)值驗(yàn)證26-29
• 3.3 本章小結(jié)29-30
• 第四章 散貨船船艏與冰層碰撞的數(shù)值模擬30-51
• 4.1 碰撞情景30
• 4.2 模型建立30-33
• 4.2.1 船體的計(jì)算模型30-32
• 4.2.2 冰層的計(jì)算模型32-33
• 4.3 附連水質(zhì)量33-34
• 4.4 碰撞過(guò)程及結(jié)果分析34-41
• 4.4.1 結(jié)構(gòu)損傷分析34-38
• 4.4.2 冰力結(jié)果分析38-39
• 4.4.3 吸能結(jié)果分析39-41
• 4.5 船舶-冰層碰撞結(jié)構(gòu)響應(yīng)影響因素分析41-49
• 4.5.1 船速對(duì)船-冰碰撞結(jié)構(gòu)響應(yīng)的影響41-46
• 4.5.2 冰厚對(duì)船-冰碰撞結(jié)構(gòu)響應(yīng)的影響46-49
• 4.6 本章小結(jié)49-51
• 第五章 船舶破冰的數(shù)值模擬51-69
• 5.1 碰撞情景51-52
• 5.2 模型建立52-54
• 5.2.1 船體的計(jì)算模型52-53
• 5.2.2 冰層的計(jì)算模型53-54
• 5.3 數(shù)值模擬及結(jié)果分析54-56
• 5.4 船舶破冰過(guò)程影響因素分析56-68
• 5.4.1 船速對(duì)破冰過(guò)程的影響56-59
• 5.4.2 冰厚對(duì)破冰過(guò)程的影響59-62
• 5.4.3 船艏形狀對(duì)船舶破冰過(guò)程的影響62-68
• 5.5 本章小結(jié)68-69
• 第六章 總結(jié)與展望69-72
• 6.1 全文總結(jié)69-70
• 6.2 研究展望70-72
• 參考文獻(xiàn)72-76
• 致謝76-77
• 攻讀碩士學(xué)位期間已發(fā)表或錄用的論文77-79

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