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船舶结构崩溃的载荷和结构响应特性研究
| 论文题名： | 船舶结构崩溃的载荷和结构响应特性研究 |
| 关键词： | 船舶结构;崩溃断裂;动态响应;波浪载荷;流固耦合 |
| 摘要： | 船舶在波浪中崩溃断裂的事故时有发生，不仅给海洋环境造成生态污染，而且对船员的生命安全构成极大威胁，因此船舶结构在波浪下的结构崩溃问题一直是相关研究者关注的重点和研究的焦点。船舶断裂沉没事故是一个船体承载能力丧失的动态过程，也是一个非线性流固耦合问题，涉及了复杂的波浪载荷非线性、结构非线性以及二者的动态耦合问题。因此有必要探索一种考虑波浪载荷非线性与结构非线性的流固耦合方法，评估船舶结构在波浪下结构崩溃过程中的复杂载荷非线性和结构非线性，为船体结构设计和安全评估提供参考。本文通过联合模型试验和数值仿真的方法，对船舶在波浪中结构崩溃问题进行研究。 本文首先开展三舱段船体结构在造波水池中动态崩溃的模型试验。根据试验的目的和条件，参考集装箱船的结构和装载特点，设计制造了三维加筋结构试验模型，试验模型由首尾刚性段和中部测试段组成，试验中首尾段用于获取和传递波浪载荷，中部测试段用来产生崩溃响应。试验中进行了系列变波高和变波长的工况，测试试验模型在不同波浪工况下的波浪压力和结构动态响应。 然后提出一种CFD-非线性有限元双向流固耦合方法，对船舶结构崩溃模型试验进行数值仿真。该数值方法融合了计算流体力学（CFD）和非线性有限元（NFEM）在处理非线性问题上的优势，可考虑船舶结构崩溃过程中相关载荷非线性和结构非线性，基于粘流理论的CFD平台采用重叠网格和体积分数法，实现对船舶运动和载荷的准确求解；采用隐式动力非线性有限元模拟船体结构的动态崩溃过程。在船体湿表面上进行波浪压力与结构变形信息的双向传递，实现CFD和NFEM间的双向耦合，为了考虑船体运动惯性力的影响，编写惯性力函数并实现惯性力的映射传递，更加全面地考虑动态效应对结构崩溃响应的影响。采用本方法对船舶结构崩溃模型试验进行数值仿真，将数值仿真结果与试验结果相比较，验证数值仿真方法的有效性。 最后从工程应用的角度出发，采用经模型试验验证过的数值仿真方法对4600TEU集装箱船进行波浪下结构崩溃响应评估。计算了系列变波高、变波长工况下的结构崩溃响应，分析了船体结构处于弹性、弹塑性以及后极限强度三种状态下的结构动态响应，获得了集装箱船在波浪下的结构崩溃模式，讨论变波高、变波长因素对船体结构动态崩溃响应的影响。 |
| 作者： | 屈毫拓 |
| 专业： | 船舶与海洋工程 |
| 导师： | 刘维勤 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 武汉理工大学 |
| 学位年度： | 2022 |
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