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，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，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，人類的油氣開采計劃也會相繼青睞于此，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

2、漏事故，將會給國家和人民造成重大的生命財產(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?？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)；分析冰層對于封凍在其中的船舶的擠壓作用，針對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；引入了國內(nèi)外冰體數(shù)值仿真的最新方法，以冰山冰為對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冰—剛性墻碰撞仿真結(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，通過非線性有限元軟件LS-DYNA，對船舶肩部與冰體發(fā)生碰撞進(jìn)行數(shù)值計算，對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。
　?。?）在高緯度海域通常會有凍冰層或流動的冰排漂浮于海面

5、，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)動狀態(tài)以及物理性質(zhì)單個碰撞參數(shù)，對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景并加以簡化，重點(diǎn)研究冰層溫度場以及應(yīng)力場的計算，結(jié)合具體工況以及試驗(yàn)數(shù)據(jù)模擬得到各時間子步的溫度場，在此基礎(chǔ)上通過對相鄰子步溫度