發(fā)布時(shí)間：2020-04-02 14:11

【摘要】：隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的高速發(fā)展,海洋經(jīng)濟(jì)已經(jīng)成為國(guó)民經(jīng)濟(jì)的新增長(zhǎng)點(diǎn),北極開(kāi)發(fā)及北極航道的開(kāi)辟將為我國(guó)新的戰(zhàn)略提供新的保障,但是隨著海洋開(kāi)發(fā)的大規(guī)模開(kāi)展,影響海上結(jié)構(gòu)物安全和操作的海冰災(zāi)害問(wèn)題、海冰與結(jié)構(gòu)物相互作用問(wèn)題日益突出。雖然我國(guó)是一個(gè)近北極國(guó)家和世界第一造船大國(guó),但在極地船舶核心關(guān)鍵基礎(chǔ)問(wèn)題的研究方面還很薄弱,是制約我國(guó)極地船舶研發(fā)建造能力提升的重要原因。這一問(wèn)題已經(jīng)引起我國(guó)政府和學(xué)術(shù)界的高度重視,因此專家們將極地原油運(yùn)輸船、極地甲板運(yùn)輸船等作為重點(diǎn)研究方向。目前對(duì)于船冰碰撞的研究,大多數(shù)學(xué)者都是將水介質(zhì)作為附加質(zhì)量來(lái)考慮的,并未采用流固耦合的方法,但是在分析船冰碰撞時(shí),周圍水的動(dòng)力效應(yīng)扮演了重要的角色,在處理碰撞的吸收能量時(shí)考慮水的作用是非常重要的�；谏鲜鲈�,一方面開(kāi)展船水冰耦合技術(shù)研究,另一方面進(jìn)行船體板架與浮冰的碰撞模型試驗(yàn)研究和船-冰碰撞結(jié)構(gòu)響應(yīng)的研究,對(duì)于提高極地船舶的結(jié)構(gòu)安全性具有重要的科學(xué)意義,是極地運(yùn)輸船舶亟待解決的核心關(guān)鍵基礎(chǔ)問(wèn)題。本文主要工作如下:(1)構(gòu)建冰體材料模型。搜集整理極地航區(qū)冰體的力學(xué)本構(gòu)關(guān)系資料,獲得冰體抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、剪切強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度等相關(guān)力學(xué)參數(shù)及厚度、密度等物理特性。在應(yīng)用數(shù)值仿真方法研究船-冰碰撞問(wèn)題的過(guò)程中,以國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)冰體材料本構(gòu)關(guān)系研究成果為基礎(chǔ),考慮冰體破碎過(guò)程中韌脆性的特點(diǎn),構(gòu)建一種較為準(zhǔn)確的冰體材料模型。(2)數(shù)值仿真模型化方法研究。根據(jù)建立的本構(gòu)模型,以LS-DYNA軟件為平臺(tái),考慮水介質(zhì)中進(jìn)行圓臺(tái)冰體與鋼板碰撞過(guò)程的數(shù)值模擬,將冰體載荷與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)在ISO/CD19906(2010)中推薦的冰山碰撞載荷下壓強(qiáng)—面積曲線進(jìn)行比較,以驗(yàn)證冰體材料的準(zhǔn)確性;確定約束及接觸定義等,從而實(shí)現(xiàn)船水冰全耦合技術(shù)。(3)水介質(zhì)中船體板架模型與冰體碰撞試驗(yàn)研究。根據(jù)相似性原理,設(shè)計(jì)、制作鋼制板架模型,在水池中進(jìn)行船體板架與冰體碰撞的模型試驗(yàn)研究,測(cè)量冰體與板架碰撞過(guò)程中的動(dòng)態(tài)應(yīng)變等數(shù)值;按照前文確定的船-冰碰撞數(shù)值仿真方法,建立與模型試驗(yàn)相同的板架與冰體模型,進(jìn)行數(shù)值仿真計(jì)算,將模型試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,以驗(yàn)證船-水-冰碰撞數(shù)值仿真方法的準(zhǔn)確性,從而為實(shí)船與冰的碰撞仿真研究奠定基礎(chǔ)。(4)水介質(zhì)中船-冰碰撞結(jié)構(gòu)響應(yīng)研究。選取極地運(yùn)輸船舶艏部作為計(jì)算對(duì)象,通過(guò)流固耦合算法來(lái)研究三維船艏與冰體碰撞的結(jié)構(gòu)響應(yīng)問(wèn)題,并結(jié)合非線性有限元軟件LS-DYNA研究船艏與不同質(zhì)量冰體發(fā)生碰撞、船艏與同質(zhì)量不同角度的冰體發(fā)生碰撞、不同速度下船艏與同質(zhì)量的冰體發(fā)生碰撞等各種方案下的船冰碰撞結(jié)構(gòu)響應(yīng)問(wèn)題,分析對(duì)比了各種方案下考慮流固耦合及不考慮流固耦合的仿真計(jì)算結(jié)果,揭示了各種方案下船舶在損傷變形、能量吸收、碰撞力、速度等方面的變化特征以及水介質(zhì)在船冰碰撞中的影響,繼而可以為極地運(yùn)輸船舶的抗沖擊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。
【圖文】：

第 1 章 緒論第 1 章 緒論1 工程背景及意義隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的高速發(fā)展，海洋經(jīng)濟(jì)已經(jīng)成為國(guó)民經(jīng)濟(jì)的新增長(zhǎng)點(diǎn)，北極及北極航道的開(kāi)辟不僅為我國(guó)新的戰(zhàn)略提供新的保障，而且縮短了航運(yùn)時(shí)間，但著海洋開(kāi)發(fā)的大規(guī)模開(kāi)展，影響海上結(jié)構(gòu)物安全和操作的海冰災(zāi)害問(wèn)題、海冰與物相互作用問(wèn)題日益突出。海冰主要存在于中高緯度海域，對(duì)于人類海上經(jīng)濟(jì)活成的危害大致分為：船冰碰撞，封鎖港口、航道，堵塞艦船海底門，使錨泊艦船，擠壓損壞艦船，破壞海洋工程建筑和各種海上設(shè)施，，使?jié)O民休船，船舶積冰。中，危害最嚴(yán)重的當(dāng)屬船舶與冰體發(fā)生碰撞[1]。圖 1.1 為北極航道與傳統(tǒng)航道圖

綜合解決了縱蕩、橫蕩和首搖的剛體三個(gè)自由度方程，分析了船舶的性能、冰載荷的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)以及冰載荷沿船體的空間分布。Vegard Aksnes[34]利用系泊的船舶模型與浮冰的碰撞實(shí)驗(yàn)，測(cè)量了船首與冰的相互作用力，并提出了基于模型實(shí)驗(yàn)測(cè)量來(lái)構(gòu)建局部冰載荷的方法。該文獻(xiàn)將船冰相互作用的過(guò)程分為碎冰期、轉(zhuǎn)動(dòng)期和滑動(dòng)期，碎冰和轉(zhuǎn)動(dòng)發(fā)生在水線附近，滑動(dòng)發(fā)生在水下，給出了水線附近由浮冰的破碎和轉(zhuǎn)動(dòng)引起的力的計(jì)算方法。但是該研究是在船模系泊狀態(tài)下的結(jié)果，只局限于測(cè)量船體外板上承受的載荷，而沒(méi)有測(cè)量船體板架在該載荷下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)。挪威科技大學(xué) Li Zhou 等人[35]以一艘具有冰區(qū)加強(qiáng)舷側(cè)結(jié)構(gòu)的油船模型為對(duì)象，在阿爾托大學(xué)冰槽內(nèi)對(duì)其進(jìn)行了冰載荷參數(shù)的系列測(cè)試，該試驗(yàn)使用拖車拖動(dòng)船模在完整凍結(jié)的冰層上破冰前行，如圖 1.2 及圖 1.3 所示，分別測(cè)試了改變拖車速度、船模航向角、冰的厚度等參數(shù)時(shí)的碰撞力、加速度、冰破碎形狀等結(jié)果，試驗(yàn)結(jié)果可以作為數(shù)值模擬時(shí)的輸入?yún)?shù)。該試驗(yàn)獲得了諸多有價(jià)值的研究結(jié)果，該研究是以冰封的層冰為研究對(duì)象，而非自由漂浮在水上的浮冰，與北極航道開(kāi)通后的商船實(shí)際航行過(guò)程中遇到的工況有所不同。
【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】：2018
【分類號(hào)】：U661.7

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2612059