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船--冰碰撞过程中的冰载荷移动效应研究
| 论文题名： | 船--冰碰撞过程中的冰载荷移动效应研究 |
| 关键词： | 船冰碰撞;移动冰载荷;承载力折减;数值模拟;内聚力模型 |
| 摘要： | 现行极地船舶设计规范在设计校核外板和骨材强度时，以均布固定载荷板的形式施加冰载荷，且设计冰载荷是基于能量平衡原理，由船艏与冰缘快速斜掠碰撞的工况计算得来的，未考虑冰在船体表面的移动划擦因素。然而，在真实的船冰碰撞场景中，冰体往往会在碰撞过程中沿着船长方向划擦，已有相关实验研究表明，引起结构塑性响应的载荷移动会显著降低结构的承载能力。但是，上述研究并未考虑冰载荷在时空分布上的高度变化特性，由于冰体沿着船体划擦过程中受力状态较为复杂，切向摩擦力、船体板上的塑性凹陷等对冰的破坏模式可能会产生影响。因此，结合上述问题，以商业软件ABAQUS为平台，基于内聚力理论和有限元方法，建立船—冰数值模型，分别研究了移动载荷下船体结构承载力折减机制、船冰切向相对运动和结构塑性凹陷对冰载荷的影响、以及船冰移动碰撞过程中的冰载荷和结构响应规律，论文的具体内容如下: 首先，使用Mises屈服函数、各向同性硬化准则，建立PC6级船体板架的双线性弹塑性有限元模型，对照固定载荷试验结果验证了模型的有效性。仿真中以刚体压头位移控制加载的形式施加载荷，以移动载荷和等效固定载荷下的结构反力差异量化承载力折减比例。通过结构内力云图，分析了加载过程中结构的膜力、弯矩分布规律，解释了移动载荷造成结构承载力下降的机制。此外，还研究了影响承载力折减系数的相关因素。 其次，基于内聚力接触法和均匀化弹塑性冰本构建立粒状冰挤压破坏模型，通过实验数据验证了数值模型的有效性。参考船冰移动碰撞场景和船舶冰损凹陷数据统计，建立了锥形冰与刚体板的碰撞模型，研究了切向摩擦力和船体板凹陷对冰载荷的影响。其中，切向摩擦力可能会影响挤压破坏冰裂纹的稳定扩展过程，进而影响结构冰载荷，在分析过程中同时考虑了切向相对运动速度和冰—板摩擦系数的影响。在凹陷对冰载荷的影响研究中，分析了凹陷深度与骨架间距的比值对冰载荷的影响。 最后，建立和验证了层冰与小冰山的内聚力模型，基于典型的移动冰载荷场景，模拟了层冰和小冰山与舷侧碰撞的过程。在与层冰碰撞的研究中，考虑结构响应和钢材的塑性硬化效应，研究了移动碰撞工况下舷侧外板凹陷对冰载荷的影响，并分析了冰厚和碰撞速度对冰载荷的影响规律。针对小冰山与舷侧模型的碰撞场景，评估了船体各构件的损伤和能量吸收结果，分析了不同碰撞速度下整个系统能量耗散分布比例的变化规律，包括船体应变能、小冰山应变能、冰断裂能、以及摩擦耗能占总能量耗散的分布比例。 |
| 作者： | 王培根 |
| 专业： | 船舶与海洋结构物设计制造 |
| 导师： | 王庆 |
| 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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