冰載荷作用下船體結(jié)構(gòu)抗碰撞擠壓性能研究.pdf

1、近年來(lái)，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(lái)完全有可能實(shí)現(xiàn)船舶通航，從而大大縮短亞洲國(guó)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(cè)發(fā)現(xiàn)兩極地區(qū)蘊(yùn)藏著豐富的油氣資源，人類(lèi)的油氣開(kāi)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(lái)空前的繁榮。然而，無(wú)論是航道的開(kāi)辟還是油氣的開(kāi)采，人們都無(wú)法回避冰載荷帶來(lái)的相關(guān)問(wèn)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

2、漏事故，將會(huì)給國(guó)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(kāi)展了冰載荷作用下船體結(jié)構(gòu)抗碰撞擠壓性能研究?？紤]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：
　?。?）根據(jù)彈塑性

3、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(guó)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。

4、>　?。?）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(guò)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(jiǎn)要分析了船冰碰撞條件下水域的流場(chǎng)分布狀況。
　?。?）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

5、，要想通過(guò)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。
　?。?）結(jié)合實(shí)際分析船舶遭受冰層擠壓的場(chǎng)景并加以簡(jiǎn)化，重點(diǎn)研究冰層溫度場(chǎng)以及應(yīng)力場(chǎng)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(chǎng)，在此基礎(chǔ)上通過(guò)對(duì)相鄰子步溫度