船舶碰撞載荷及結(jié)構(gòu)響應(yīng)分析方法研究.pdf

1、船舶與船舶/海洋平臺和船舶與冰的碰撞是一類常見且后果嚴重的海洋事故。碰撞事故會破壞海洋結(jié)構(gòu)物和船舶結(jié)構(gòu)的完整性，污染海洋環(huán)境，甚至威脅海洋從業(yè)人員的生命安全。合理地認識碰撞機理，可以有效地避免或者減小因為碰撞而導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)損害以及其他嚴重后果，降低經(jīng)濟損失。本文的工作主要是研究船舶碰撞載荷及結(jié)構(gòu)響應(yīng)分析方法，從而為船舶結(jié)構(gòu)的抗撞設(shè)計提供參考依據(jù)。
　　由于船舶碰撞問題的復(fù)雜性，通常將碰撞力學(xué)機理分解為外部機理和內(nèi)部機理。碰撞外部機理

2、通過分析碰撞船舶的剛體運動，研究碰撞中的能量耗散和沖量變化;碰撞內(nèi)部機理則研究碰撞過程中的碰撞力、結(jié)構(gòu)變形和塑性變形能的吸收過程。這種分解方法將碰撞問題簡化，在一定情況下可以快速有效地處理船舶碰撞問題。全耦合方法即流體-結(jié)構(gòu)耦合方法，同步分析船舶碰撞的外部機理和內(nèi)部機理，能夠更加準確地預(yù)測碰撞后的結(jié)構(gòu)響應(yīng)。本文分別從船舶碰撞的外部機理、內(nèi)部機理和流體-結(jié)構(gòu)耦合三個方面進行了船舶碰撞載荷及結(jié)構(gòu)響應(yīng)分析方法研究，考慮了多種船冰、船船碰撞情景

3、。
　　冰區(qū)船舶設(shè)計初期，快速預(yù)測出不同碰撞工況下船舶-冰山碰撞力是至關(guān)重要的。基于外部機理，本文提出一種簡化解析法，對船艏與冰山傾斜碰撞中的碰撞力進行評估。該方法考慮了冰山、船舶的偏心率和摩擦的影響，其包含三個主要步驟:首先計算碰撞過程中的總能量耗散（包含法向和切向方向的能量）;其次建立能量耗散-撞深和碰撞力-撞深之間的關(guān)系;最終求解碰撞力。通過分別與Popov模型和Matskevitch模型進行對比，驗證了該方法的準確性和適用

4、性。此外，本文使用該方法對船艏與冰山碰撞算例進行研究，并重點關(guān)注冰山整體形狀、船舶法向框架角度、冰壓力-面積關(guān)系、摩擦系數(shù)和冰山局部形狀對碰撞力的影響。計算結(jié)果表明，這些參數(shù)對碰撞力都有較大的影響。最后，將該方法與IACS規(guī)范和相關(guān)數(shù)值模擬進行比較，并詳細分析了結(jié)果差異的原因，可為冰區(qū)航行船舶結(jié)構(gòu)的抗撞設(shè)計提供參考。
　　為了快速評估事故極限狀態(tài)下浮冰撞擊時的船舶舷側(cè)結(jié)構(gòu)響應(yīng)，本文通過分析不同碰撞階段中的冰壓力-面積曲線特征，提出

5、了一種新的簡化均壓方法，能夠預(yù)測舷側(cè)結(jié)構(gòu)的最大撞深和能量耗散。本文采用完整非線性有限元分析方法作為參考來驗證該方法，其中采用冰載荷經(jīng)驗公式校準了完整非線性有限元數(shù)值模擬中的冰材料模型，并且從冰壓力分布和冰破碎比能特性兩方面對該模型進行了驗證。結(jié)果表明，本文提出的新簡化均壓法可作為設(shè)計初期評估冰區(qū)船舶結(jié)構(gòu)強度的有效快速方法。
　　為了更加準確地分析碰撞動態(tài)響應(yīng)，本文基于LS-DYNA程序中的任意拉格朗日歐拉方法，對冰塊與浮體結(jié)構(gòu)碰撞

6、問題進行了流體-結(jié)構(gòu)耦合方法研究，其中分別驗證了冰材料模型和LS-DYNA流體模型。更為重要的是，研究了流體-結(jié)構(gòu)耦合方法與恒定附加質(zhì)量方法在評估碰撞響應(yīng)中的差異，采用試驗數(shù)據(jù)對這兩種方法進行了驗證和衡量。結(jié)果表明，流體-結(jié)構(gòu)耦合方法能夠真實地模擬碰撞過程，從而更加準確地預(yù)測了碰撞結(jié)果，而恒定附加質(zhì)量方法過高地預(yù)估了碰撞力峰值和冰吸收的總能量。
　　為了完善船船碰撞問題研究，本文進行了全尺度船船碰撞流體-結(jié)構(gòu)耦合數(shù)值模擬分析，全面

7、考慮了兩整船與周圍流體（水和空氣）的相互耦合作用，更加準確地評估了被撞船前進速度、被撞船質(zhì)量以及碰撞角度對碰撞結(jié)果的影響，揭示了被撞船前進速度的重要性。此外，在被撞船靜止以及被撞船具有前進速度的兩種工況下，更加深入地研究了流體-結(jié)構(gòu)耦合法、恒定附加質(zhì)量法以及基于動量守恒的解析法之間的差異，并且分析了產(chǎn)生差異的原因。結(jié)果表明，對于簡單的碰撞情景，因恒定附加質(zhì)量法具有應(yīng)用簡單、計算效率快等特性，可優(yōu)先考慮。但是，對于較復(fù)雜的碰撞情景，應(yīng)使用