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层冰弯曲破坏过程的模型试验和数值模拟研究
| 论文题名： | 层冰弯曲破坏过程的模型试验和数值模拟研究 |
| 关键词： | 海洋层冰;弯曲破坏;模型试验;数值模拟;船体破冰 |
| 摘要： | 冰区海洋结构物常通过特定的外形设计使海冰在结构前发生弯曲破坏，以达到降低冰载荷的目的。对于层冰弯曲破坏过程的研究有助于揭示层冰在与结构物作用时的破坏规律，进而指导结构物抗冰设计。按载荷施加方向的不同，层冰的弯曲破坏通常有下压弯曲破坏模式与上顶弯曲破坏模式，本文通过模型试验与数值模拟手段研究这两种典型弯曲破坏模式。 在层冰弯曲破坏的数值模拟方面，建立了模拟海冰破坏的离散元数值模型，模型中的球形单元采用随机排布方式，可在结构物尺度上模拟层冰的横向各向同性特性。建立了基于海冰力学特性对离散元细观参数进行标定的建模方法，实现了对模型冰和天然海冰离散元模拟的全覆盖。 在层冰弯曲破坏的模型试验方面，首先制备了冻结盐水模型冰，通过模型冰盖的原位悬臂梁试验，测得模型冰的弯曲强度值为49.4kPa。通过“雪龙2”破冰船艏破冰模型试验，研究了层冰的下压弯曲破坏模式，分析了模型冰层厚度、船模速度对层冰破坏过程及船艏模型冰力的影响。通过球面上顶破冰模型试验，研究了层冰的上顶弯曲破坏模式，分析了球面曲率、冰层厚度、上顶速度对层冰破坏过程和球面所受冰力的影响规律。两种弯曲破坏模式下在冰厚大时层冰的弯曲断裂外延范围大、模型受力大，而速度的影响在不同弯曲破坏模式下有所区别;上顶弯曲破坏模式中球面曲率大时，层冰弯曲断裂外延范围大，而冰力的变化则相反。 最后采用离散元方法对实尺度下“雪龙2”破冰船连续破冰过程与球面上顶破冰过程进行了模拟。船体破冰模拟结果表明层冰弯曲断裂外延范围、平均碎冰尺寸以及破冰阻力随冰厚增大而增大;弯曲断裂外延范围随速度增大而减小。球面上顶破冰模拟结果表明模拟中的层冰性质偏向于弹脆性，其弯曲断裂外延范围较模型试验时小;层冰破碎程度随球面曲率、上顶速度的增大而变高;离散元方法可对原型工况冰载荷进行准确预报。 |
| 作者： | 雷建奇 |
| 专业： | 船舶与海洋结构物设计制造 |
| 导师： | 薛彦卓 |
| 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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