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原文传递冰载荷作用下船体结构抗碰撞挤压性能研究

论文题名：	冰载荷作用下船体结构抗碰撞挤压性能研究
关键词：	船体结构;抗碰撞挤压性能;冰载荷作用;损伤模型
摘要：	近年来，全球气候变暖，极地冰川融化加剧，北冰洋这片人迹罕至的海域在不久的未来完全有可能实现船舶通航，从而大大缩短亚洲国家与欧洲及美洲之间的运输航程，降低运输成本。与此同时，地质探测发现两极地区蕴藏着丰富的油气资源，人类的油气开采计划也会相继青睐于此，中高纬度的港口以及航道将迎来空前的繁荣。然而，无论是航道的开辟还是油气的开采，人们都无法回避冰载荷带来的相关问题，这必然增大船舶以及海洋结构物遭受冰载荷破坏的概率，一旦发生结构损伤以及油气泄漏事故，将会给国家和人民造成重大的生命财产损失。　　基于上述原因，本文开展了冰载荷作用下船体结构抗碰撞挤压性能研究。考虑固体与流体之间的耦合作用，研究船—冰碰撞有限元仿真技术；探讨船—冰碰撞参数对船舶肩部与冰体(质量块)发生碰撞的影响规律；改变冰排碰撞参数，模拟不同工况下船艏结构与冰排(大面积冰层)的挤撞响应；分析冰层对于封冻在其中的船舶的挤压作用，针对船舶损伤情况提出抗冻结构加强建议。主要工作如下：　　（1）根据弹塑性力学理论，阐述了船体钢的材料特性及失效准则；引入了国内外冰体数值仿真的最新方法，以冰山冰为对象研究了冰体的材料模型及本构关系，根据Tsai-Wu屈服曲面建立了冰体材料参数，参考前人基于上述冰体模型完成的圆台冰—刚性墙碰撞仿真结果，其压强—面积曲线与实验结果以及ISO推荐曲线较为一致；考虑水介质的作用，确定其材料模型以及状态方程，探讨了LS-DYNA软件实现流固耦合分析的方法，结合具体算例论证LS-DYNA软件实现上述分析的可行性。　　（2）利用前处理软件PATRAN建立了全船、冰体以及水介质的有限元模型，在考虑流固耦合作用的前提下，通过非线性有限元软件LS-DYNA，对船舶肩部与冰体发生碰撞进行数值计算，对比研究了不同工况下船体结构响应的异同，揭示了冰体形状、碰撞速度、碰撞位置等因素对船舶与冰体发生碰撞的损伤变形、碰撞力以及能量吸收的影响规律以及特性，简要分析了船冰碰撞条件下水域的流场分布状况。　　（3）在高纬度海域通常会有冻冰层或流动的冰排漂浮于海面，要想通过冰区水域船舶必须与之发生挤撞。模拟船艏与冰排发生挤撞，主要考虑相同条件下分别改变冰排厚度、运动状态以及物理性质单个碰撞参数，对比研究不同碰撞工况下船—冰结构的损伤变形、撞击船速度变化以及碰撞力等方面的结构响应差异，得到上述因素对船—冰碰撞的影响规律。　　（4）结合实际分析船舶遭受冰层挤压的场景并加以简化，重点研究冰层温度场以及应力场的计算，结合具体工况以及试验数据模拟得到各时间子步的温度场，在此基础上通过对相邻子步温度场作差，得到模型相应状态的应力分布并逐步累加。以一艘沿海货船为例，建立了其首部以及尾部（单壳结构）有限元模型，在假定船冰接触界面刚性的基础上，拟合应力场函数加载于船体模型。根据计算结果分析船舶结构损伤，提出船舶抗冻结构加强建议。
作者：	张淼溶
专业：	船舶与海洋结构物设计制造
导师：	尹群;张健
授予学位：	硕士
授予学位单位：	江苏科技大学
学位年度：	2014
正文语种：	中文