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原文传递 冰载荷作用下船舶结构弹塑性动力响应研究
论文题名: 冰载荷作用下船舶结构弹塑性动力响应研究
关键词: 船舶结构;冰载荷;浮冰碰撞;塑性变形;累积损伤;结构强度
摘要: 近百年以来,气候变暖,北极冰川加快融化,致使浮冰逐渐增多,给航行于冰区的极地船舶带来了极大的困难和潜在的威胁。极地船舶在航行中不可避免地会遭受到的浮冰碰撞作用,在一些极端冰载荷作用下结构会产生较大的塑性变形,这将会给极地船舶营运安全和操作性能带来严重的不良影响。由此,冰载荷作用下结构塑性大变形问题逐渐得到了工程界和学术界的关注。然而,由于冰材料力学性质以及冰-结构相互作用过程的复杂性,冰载荷作用下结构动力响应力学机理尚未研究透彻,浮冰碰撞作用下结构塑性动力响应理论模型有待发展,反复冰载荷作用下结构塑性累积损伤力学机理研究十分缺乏,因此亟需开展相应研究。
  本文选取船体板、加筋板结构作为研究对象,结合实验、数值和理论分析方法,开展了冰载荷作用下结构弹塑性动力响应研究,揭示了冰体变形损伤对结构塑性变形影响规律,探讨了冰-结构碰撞中能量分配机制;在此基础上,针对冰碰载荷、局部均布冰载荷两种载荷形式,开展了反复冰载荷下结构弹塑性动力响应研究,揭示了反复冰载荷作用下结构塑性变形累积机理,可为极地船舶结构设计和安全评估提供指导。本文的主要研究内容和成果如下:
  (1)在现有的冰材料力学特性及断裂失效行为研究工作基础上,考虑应变率和温度的影响,基于混凝土本构关系,建立了冰材料数值本构模型,所提出的冰材料模型计算得到的比吸能(SEA)值符合实验比吸能统计值,同时该模型计算得到的压强-面积(P-A)曲线与ISO推荐的标准P-A曲线吻合较好,该模型可用于事故极限状态下船-冰碰撞下结构强度评估数值模拟当中。
  (2)开展了冰体碰撞下船体板结构动力响应模型实验和有限元数值仿真研究,分析了浮冰碰撞下船体板结构塑性变形规律和冰体破坏失效模式,厘清了冰-结构碰撞中能量分配机制。同时将实验结果和有限元数值结果进行对比,验证了冰体-结构碰撞有限元数值方法的准确性。此外,基于不同形状浮冰、刚体与板结构碰撞动力响应研究结果,揭示了浮冰形状对结构塑性损伤程度的影响规律,提出了冰碰载荷下结构能量折减系数,可以给极地船舶结构安全评估与设计提供指导。
  (3)基于冰体挤压能量耗散分析方法和刚塑性理论方法,建立了浮冰碰撞下船体板结构动力响应理论模型,提出了冰碰载荷下船体板结构塑性动力响应近似解析公式,可对碰撞力、结构塑性变形、冰体破坏长度以及能量耗散等响应进行快速精确求解。基于所提出的理论解析方法,评估了五种不同冰体P-A关系式下船-冰碰撞过程中结构塑性变形和能量耗散情况,并讨论了用于结构意外抗冰冲击设计的三种设计准则:强度设计、折中设计和韧性设计。
  (4)开展了冰体反复碰撞下船体板结构弹塑性动力响应模型实验和有限元数值仿真研究,揭示了浮冰反复碰撞下船体结构塑性变形累积损伤力学机理和能量吸收特性,研究了结构塑性变形、冰体能量耗散以及结构能量吸收随碰撞次数变化规律,有限元计算结果与实验结果吻合较好。在此基础上,基于有限元方法,探讨了反复冰碰载荷下船体结构伪安定现象发生机制,并提出了伪安定现象发生的能量判据,可为极地船舶结构抗反复冰碰载荷设计提供参考依据。
  (5)结合实验和有限元数值方法,开展了局部准静态载荷作用下船体结构弹塑性响应研究,揭示了加卸载过程中结构变形、应力和应变变化规律,有限元计算结果与实验结果吻合较好。同时,针对船体板在不同位置处遭受反复冰载荷作用情形,采用有限元方法,研究了不同位置处多次局部均布载荷作用下船体板的塑性变形累积机理。在此基础上,结合有限元和刚塑性理论方法,基于结构塑性设计准则,提出了给定许可永久变形参数下局部冰载荷作用下结构板厚塑性设计公式,可为极地船舶结构设计提供参考。
作者: 蔡伟
专业: 船舶与海洋工程
导师: 朱凌
授予学位: 博士
授予学位单位: 武汉理工大学
学位年度: 2022
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