本文關(guān)鍵詞：冰載荷作用下船體結(jié)構(gòu)抗碰撞擠壓性能研究

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【摘要】：近年來，全球氣候變暖，極地冰川融化加劇，北冰洋這片人跡罕至的海域在不久的未來完全有可能實(shí)現(xiàn)船舶通航，從而大大縮短亞洲國家與歐洲及美洲之間的運(yùn)輸航程，降低運(yùn)輸成本。與此同時(shí)，地質(zhì)探測發(fā)現(xiàn)兩極地區(qū)蘊(yùn)藏著豐富的油氣資源，人類的油氣開采計(jì)劃也會(huì)相繼青睞于此，中高緯度的港口以及航道將迎來空前的繁榮。然而，無論是航道的開辟還是油氣的開采，人們都無法回避冰載荷帶來的相關(guān)問題，這必然增大船舶以及海洋結(jié)構(gòu)物遭受冰載荷破壞的概率，一旦發(fā)生結(jié)構(gòu)損傷以及油氣泄漏事故，將會(huì)給國家和人民造成重大的生命財(cái)產(chǎn)損失。 基于上述原因，本文開展了冰載荷作用下船體結(jié)構(gòu)抗碰撞擠壓性能研究。考慮固體與流體之間的耦合作用，研究船—冰碰撞有限元仿真技術(shù)；探討船—冰碰撞參數(shù)對(duì)船舶肩部與冰體(質(zhì)量塊)發(fā)生碰撞的影響規(guī)律；改變冰排碰撞參數(shù)，模擬不同工況下船艏結(jié)構(gòu)與冰排(大面積冰層)的擠撞響應(yīng)；分析冰層對(duì)于封凍在其中的船舶的擠壓作用，針對(duì)船舶損傷情況提出抗凍結(jié)構(gòu)加強(qiáng)建議。主要工作如下： （1）根據(jù)彈塑性力學(xué)理論，闡述了船體鋼的材料特性及失效準(zhǔn)則；引入了國內(nèi)外冰體數(shù)值仿真的最新方法，以冰山冰為對(duì)象研究了冰體的材料模型及本構(gòu)關(guān)系，根據(jù)Tsai-Wu屈服曲面建立了冰體材料參數(shù)，參考前人基于上述冰體模型完成的圓臺(tái)冰—?jiǎng)傂詨ε鲎卜抡娼Y(jié)果，其壓強(qiáng)—面積曲線與實(shí)驗(yàn)結(jié)果以及ISO推薦曲線較為一致；考慮水介質(zhì)的作用，確定其材料模型以及狀態(tài)方程，探討了LS-DYNA軟件實(shí)現(xiàn)流固耦合分析的方法，結(jié)合具體算例論證LS-DYNA軟件實(shí)現(xiàn)上述分析的可行性。 （2）利用前處理軟件PATRAN建立了全船、冰體以及水介質(zhì)的有限元模型，在考慮流固耦合作用的前提下，通過非線性有限元軟件LS-DYNA，對(duì)船舶肩部與冰體發(fā)生碰撞進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，對(duì)比研究了不同工況下船體結(jié)構(gòu)響應(yīng)的異同，揭示了冰體形狀、碰撞速度、碰撞位置等因素對(duì)船舶與冰體發(fā)生碰撞的損傷變形、碰撞力以及能量吸收的影響規(guī)律以及特性，簡要分析了船冰碰撞條件下水域的流場分布狀況。 （3）在高緯度海域通常會(huì)有凍冰層或流動(dòng)的冰排漂浮于海面，要想通過冰區(qū)水域船舶必須與之發(fā)生擠撞。模擬船艏與冰排發(fā)生擠撞，主要考慮相同條件下分別改變冰排厚度、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)以及物理性質(zhì)單個(gè)碰撞參數(shù)，對(duì)比研究不同碰撞工況下船—冰結(jié)構(gòu)的損傷變形、撞擊船速度變化以及碰撞力等方面的結(jié)構(gòu)響應(yīng)差異，，得到上述因素對(duì)船—冰碰撞的影響規(guī)律。 （4）結(jié)合實(shí)際分析船舶遭受冰層擠壓的場景并加以簡化，重點(diǎn)研究冰層溫度場以及應(yīng)力場的計(jì)算，結(jié)合具體工況以及試驗(yàn)數(shù)據(jù)模擬得到各時(shí)間子步的溫度場，在此基礎(chǔ)上通過對(duì)相鄰子步溫度場作差，得到模型相應(yīng)狀態(tài)的應(yīng)力分布并逐步累加。以一艘沿海貨船為例，建立了其首部以及尾部（單殼結(jié)構(gòu)）有限元模型，在假定船冰接觸界面剛性的基礎(chǔ)上，擬合應(yīng)力場函數(shù)加載于船體模型。根據(jù)計(jì)算結(jié)果分析船舶結(jié)構(gòu)損傷，提出船舶抗凍結(jié)構(gòu)加強(qiáng)建議。
【關(guān)鍵詞】：船—冰碰撞 冰層擠壓 損傷變形 碰撞力 能量吸收
【學(xué)位授予單位】：江蘇科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號(hào)】：U661.4
【目錄】：

• 摘要6-8
• ABSTRACT8-18
• 第一章 緒論18-28
• 1.1 論文的研究背景和意義18-21
• 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀與進(jìn)展21-26
• 1.3 本文的主要研究內(nèi)容和創(chuàng)新點(diǎn)26-28
• 1.3.1 本文的主要研究內(nèi)容26-27
• 1.3.2 本文的創(chuàng)新點(diǎn)27-28
• 第二章 船—冰碰撞有限元仿真技術(shù)研究28-46
• 2.1 引言28
• 2.2 基于 LS-DYNA 的船舶碰撞材料模型28-31
• 2.2.1 冪指數(shù)硬化彈塑性材料29-30
• 2.2.2 船體材料屬性和失效準(zhǔn)則30-31
• 2.3 船舶的有限元模型處理技術(shù)31-35
• 2.3.1 船舶概況31-32
• 2.3.2 結(jié)構(gòu)簡化32-33
• 2.3.3 網(wǎng)格劃分33-34
• 2.3.4 接觸定義34-35
• 2.4 冰體的材料模型與本構(gòu)關(guān)系35-40
• 2.4.1 冰山冰的材料模型35-36
• 2.4.2 材料應(yīng)變率的影響36-37
• 2.4.3 冰山冰的屈服曲面37-38
• 2.4.4 失效準(zhǔn)則和材料參數(shù)的確定38-40
• 2.5 水介質(zhì)的材料模型、狀態(tài)方程以及流固耦合算法40-42
• 2.5.1 流體模型以及狀態(tài)方程40-42
• 2.5.2 流固耦合算法42
• 2.6 流固耦合算例42-45
• 2.7 本章小結(jié)45-46
• 第三章 船舶與冰體碰撞結(jié)構(gòu)響應(yīng)研究46-68
• 3.1 引言46
• 3.2 船—冰碰撞性能評(píng)判指標(biāo)46-47
• 3.3 船舶與冰體碰撞方案設(shè)計(jì)47-51
• 3.3.1 冰體的形狀47-48
• 3.3.2 碰撞方案48-50
• 3.3.3 船、冰質(zhì)量控制與水介質(zhì)模擬50-51
• 3.4 冰體形狀對(duì)船—冰碰撞的影響51-55
• 3.4.1 碰撞損傷變形51-53
• 3.4.2 碰撞力53-54
• 3.4.3 能量吸收54-55
• 3.5 撞擊速度對(duì)船—冰碰撞的影響55-60
• 3.5.1 碰撞損傷變形56-57
• 3.5.2 碰撞力57-59
• 3.5.3 能量吸收59-60
• 3.6 撞擊位置對(duì)船—冰碰撞的影響60-64
• 3.6.1 碰撞損傷變形60-62
• 3.6.2 碰撞力62-63
• 3.6.3 能量吸收63-64
• 3.7 水域的流場分布狀況64-66
• 3.8 本章小結(jié)66-68
• 第四章 船舶與冰排碰撞結(jié)構(gòu)響應(yīng)研究68-86
• 4.1 引言68
• 4.2 船舶與冰排碰撞方案設(shè)計(jì)68-72
• 4.2.1 冰排的形狀68-70
• 4.2.2 碰撞方案70-71
• 4.2.3 船、冰質(zhì)量控制與附連水質(zhì)量71-72
• 4.3 冰排厚度對(duì)船—冰碰撞的影響72-77
• 4.3.1 碰撞損傷變形72-74
• 4.3.2 撞擊船速度變化74-75
• 4.3.3 碰撞力75-77
• 4.4 冰排運(yùn)動(dòng)狀態(tài)對(duì)船—冰碰撞的影響77-81
• 4.4.1 碰撞損傷變形77-79
• 4.4.2 撞擊船速度變化79-80
• 4.4.3 碰撞力80-81
• 4.5 冰排物理性質(zhì)對(duì)船—冰碰撞的影響81-85
• 4.5.1 碰撞損傷變形82-83
• 4.5.2 撞擊船速度變化83-84
• 4.5.3 碰撞力84-85
• 4.6 本章小結(jié)85-86
• 第五章 船舶遭冰層擠壓結(jié)構(gòu)損傷研究86-104
• 5.1 引言86
• 5.2 擠壓場景簡化86-88
• 5.3 冰層溫度場的計(jì)算研究88-93
• 5.3.1 數(shù)學(xué)理論研究88-89
• 5.3.2 有限元方法與運(yùn)用89-90
• 5.3.3 有限元結(jié)果分析90-93
• 5.4 冰層溫度應(yīng)力場的計(jì)算研究93-97
• 5.4.1 數(shù)學(xué)理論研究93-94
• 5.4.2 有限元方法與運(yùn)用94-96
• 5.4.3 有限元結(jié)果分析96-97
• 5.5 船體結(jié)構(gòu)模型以及承載工況97-101
• 5.5.1 船舶有限元模型98-100
• 5.5.2 承載工況研究100-101
• 5.6 船舶結(jié)構(gòu)損傷分析101-102
• 5.7 本章小結(jié)102-104
• 第六章 總結(jié)與展望104-108
• 6.1 主要研究工作及結(jié)論104-106
• 6.1.1 本文主要的研究工作104-105
• 6.1.2 本文主要的研究結(jié)論105-106
• 6.2 進(jìn)一步研究工作展望106-108
• 附錄108-112
• 1.船舶損傷變形時(shí)序圖（船舶與冰體碰撞方案Ⅱ工況 B）108-110
• 2.船冰相對(duì)位置時(shí)序圖（船舶與冰體碰撞方案Ⅱ工況 B）110-112
• 參考文獻(xiàn)112-116
• 攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文116-117
• 致謝117

【參考文獻(xiàn)】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前8條

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4 李洪升,杜小振,岳前進(jìn);海冰強(qiáng)度對(duì)應(yīng)變速率敏感性及其演化模式[J];大連理工大學(xué)學(xué)報(bào);2003年05期

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7 史慶增,徐陽;約束冰層溫度膨脹力的研究[J];海洋學(xué)報(bào)(中文版);2000年03期

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本文編號(hào)：1075998