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基于内聚力单元法的船舶与重叠冰碰撞数值模拟研究
| 论文题名： | 基于内聚力单元法的船舶与重叠冰碰撞数值模拟研究 |
| 关键词： | 船舶;重叠冰碰撞;内聚力单元法;数值模拟 |
| 摘要： | 随着航运和钻井活动逐渐向北极地区转移，极地冰区内的海洋活动逐渐增多。极地的特殊环境对于船舶的安全航行有特殊的要求和标准，极地船舶在各种冰况中的结构安全性研究越来越受到重视。重叠冰经过挤压破碎堆叠等过程逐渐形成，内部存在许多孔隙，是极地多种冰况中较为极端的存在。在以往的结构安全分析中，无论重叠层数为多少，重叠冰的厚度均按照2倍最大单层冰厚度处理，且大多认为天然冰的材料均匀，未考虑其中孔隙率的影响。因此结合重叠冰的特征建立船舶与重叠冰相互作用的数值模型具有重要意义。基于非线性有限元软件对船舶与重叠冰相互作用进行研究，得到船体所受冰载荷数据，具体内容如下: 根据HSVA倒锥体破冰试验，将随机孔隙率应用到平整冰数值模型的建立中，对比模拟结果和试验数据，验证随机孔隙率冰材料模型的可靠性，对内聚力单元法在冰材料上的应用进行了算法的提升。发现随机孔隙率会使平整冰的裂纹沿着孔隙扩展并产生许多分支，裂纹数量多且裂纹扩展远，降低冰载荷的均值。 根据北极海冰的实测数据确定重叠冰公式中参数的取值，得到组成重叠冰的单层平整冰极限厚度、最大重叠长度和风流作用下重叠长度与单层冰厚之间的关系。根据二次冻结冰单轴压缩试验所得到的淡水冰长方体45°切开再冻结后的单轴压缩强度，得到数值模拟中重叠冰冻结强度所对应的参数。 基于斜板有限元模型和带有随机孔隙率的重叠冰内聚力数值模型，研究斜板与船体碰撞过程中重叠冰的冰载荷。在非线性有限元软件中模拟不同倾角的斜板以不同速度前进与重叠冰碰撞的过程，发现倾角和速度越大，x方向冰载荷越大。相对于速度变化来说，冰载荷对倾斜角度的变化较为敏感。 最后针对破冰船与重叠冰相互作用场景，分析船于重叠冰碰撞过程中重叠部分的影响。考虑船速及重叠层数两个参数的影响，发现破冰船航行速度越快裂纹扩展越远越迅速，更易产生大块碎冰。重叠层数增加会大幅提高x、z方向冰载荷。 |
| 作者： | 陈绾绶 |
| 专业： | 船舶与海洋工程 |
| 导师： | 倪宝玉;殷华兵 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 哈尔滨工程大学 |
| 学位年度： | 2022 |
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