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基于弹塑性冰本构模型的船冰相互作用研究
| 论文题名： | 基于弹塑性冰本构模型的船冰相互作用研究 |
| 关键词： | 船冰碰撞;数值模拟;冰材料模型;温度梯度;初始孔隙 |
| 摘要： | 近年来，气候变暖导致极地海冰不断融化，这使世界各国对北极航道的探索更加深入。同时，北极地区蕴藏的油气、天然气等资源受到各国的持续关注。但是目前北极地区仍存在着大量的冰山、浮冰，给在极地航行的船舶造成了巨大的安全隐患。海冰与船舶的碰撞不仅会损坏船体自身结构，严重时甚至会对船员的生命安全造成威胁，碰撞导致的燃油泄漏还可能造成北极地区的环境污染。因此，对船冰碰撞问题的研究具有十分重要的理论和现实意义。本文建立了极地船舶与海冰碰撞的有限元模型，采用有限元软件ABAQUS对船舶在不同工况下的破冰过程进行了数值模拟，对碰撞过程中产生的碰撞力、结构损伤进行了研究分析。 总结归纳了极地海冰的物理力学特性，选用弹塑性模型模拟海冰的力学性能，利用完全隐式图形返回算法实现应力的更新，采用Tsai-Wu准则和经验失效准则描述冰的屈服和破坏，编写本构模型代码，嵌入到ABAQUS软件中，将之用于后续的数值模拟。进行了冰的单轴压缩试验，将试验数据与数值模拟结果进行对比，验证了所选冰材料模型的准确性。结合冰三轴压缩数值模拟和船冰碰撞模型试验的数值仿真，进一步验证该冰材料模型在数值模拟中的适用性。 冰层从上至下具有温度梯度，将不同温度下的海冰本构模型赋予到数值模型中，基于有限元软件ABAQUS进一步研究不同工况下的船冰碰撞问题。从孔隙含量和孔隙分布位置两方面研究了海冰初始孔隙对船冰碰撞结果的影响，分析了不同撞击速度、不同船首倾角、不同船首形状下，碰撞力、船首损伤变形的变化规律。结果表明，海冰的初始孔隙会大大降低海冰的刚度和强度，相较于平整冰，对船舶的损伤有所降低；随着船速的增大，船冰碰撞力呈非线性增加，冰层破坏与船体损伤程度增大；船体所受碰撞力随船首柱倾角增大而增大；船速为10m/s时，破冰首和飞剪首的破冰能力要优于其他形状的船首。最后，考虑到破冰船在航行过程中大部分时间会承受循环载荷，基于航速-冰厚联合工况对循环冰载荷作用下的船首结构进行了疲劳分析，得到了不同工况下船首部位的最大损伤值。本文研究的成果在一定程度上可为极地船舶的结构设计和优化提供参考依据。 |
| 作者： | 李晨阳 |
| 专业： | 土木水利 |
| 导师： | 于永平;蔡存朋 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 吉林大学 |
| 学位年度： | 2023 |
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