准静态冰载荷挤压作用下船舶结构响应研究

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近年来,全球气温的升高逐渐造成北极地区的冰量越来越少。这使得常年冰封的北极地区更加适合人类的探索,这一地区丰富的自然资源以及因冰川融化而形成的北极航道,使国际上对这一地区的关注日益密切。但北极地区自然条件极其苛刻,自然形成的海冰以及过冷的温度为研究这一地区增加了难度。相对于在普通海域航行的船舶,在北极地区这一复杂条件区域航行的船舶,在其方案设计、运动方式、结构特性、材料性能等方面会更加严格。极地航行的船舶在正常航行时,不可避免会和海冰相互作用,所形成的冰载荷对于船舶航行的安全以及航行中船员的舒适程度有较大的影响。所以极地地区需重视船冰间的相互作用。基于上述原因,本文开展了准静态冰载荷挤压作用下船舶结构响应研究。通过对船冰在准静态情况下挤压的数值模拟来分析船冰之间的挤压力以及船体响应情况。考虑不同冰体厚度,不同挤压速度以及不同挤压角度对船冰挤压产生影响的因素计算得到数据,最后结合数值计算方法拟合得到经验公式,为船舶在准静态情况下挤压提供参考。本文主要研究内容如下:(1)挤压工况下的冰载荷研究。目前国内外通过同时破坏和非同时破坏两种不同的挤压破坏方式,研究得到了许多的极值静冰力计算公式,各个公式在同一工况下其差别较大。本文需要收集整理两种静冰力公式。在收集整理静冰力公式的基础上,通过建立冰与直立结构挤压的数值模型,模拟准静态条件下冰对直立结构的挤压,得到数值计算冰力大小并与整理得到的各种静冰力公式进行比较。然后通过改变挤压的速度得到低速情况下的三种振动挤压力,证明通过有限元计算分析准静态条件下海冰对结构物挤压是有效的。(2)准静态冰挤压下材料参数影响研究。构建实体船舶有限元模型和粘聚单元法冰体有限元模型,确定相关约束及接触定义,在准静态挤压情况下进行数值模拟。通过改变冰材料参数和粘聚单元参数,研究准静态条件下船舶在挤压下的应力以及船体响应的变化规律,以确定粘聚单元以及冰材料参数为后续研究打下基础,并分析整个船冰挤压的过程。(3)准静态挤压载荷作用下船体结构影响参数研究。在(2)的研究内容的基础上,通过改变挤压速度,挤压角度以及冰厚计算得到的挤压力以及船体结构响应数据。最后通过数值计算方法,拟合得到准静态冰对船舶挤压力以及结构响应的经验公式,从而达到能对准静态挤压下船舶响应进行预报的目的。
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