基于粘聚力单元的平整冰与海洋桩柱结构相互作用机理研究

平整冰与海洋桩柱结构的相互作用问题十分复杂,往往涉及到海冰的破碎、失效和堆积等现象。平整冰破坏问题本质上是一个材料脆性破坏的问题,然而传统有限元方法的单元失效机制在处理该问题时有着很大的局限性,不能合理反映平整冰破碎后碎冰的变形和运动状态。因此,有必要发展现有仿真技术,建立合理的模型化方法来解决平整冰破坏相关关键问题。本文通过自定义海冰材料本构模拟海冰材料力学特性,并通过粘聚力单元模拟平整冰破坏时裂纹的产生和扩展,通过开展海洋桩柱结构与平整冰相互作用的仿真分析,分析平整冰在受桩柱作用时的破坏失效模式及两者的相互作用载荷,并与相关模型试验比较验证本文所提出方法的可靠性。研究表明,本文所采用的方法能够有效模拟平整冰在受桩柱作用时的挤压和弯曲破坏,同时能够较为准确地预报冰载荷。研究成果对于海洋桩柱结构冰载荷的预报和结构的设计具有重要的参考意义。     

船体板架-模型冰碰撞模型试验与数值仿真

船-冰碰撞时船体的结构响应是极地船舶结构安全性研究的关键问题。制备非冻结模型冰、采用合理的缩尺比构建船体板架模型、基于合理的监测方法进行模型试验,试验完成后通过数据处理对结果进行分析;再利用相同的结构模型参数进行数值仿真,对比2种船冰碰撞研究方法。结果表明：各测点最大应力以及碰撞力吻合较好,验证了非冻结冰模型与板架力学模型的合理性,数据监测及处理方法的正确性以及所采用的数值模拟方法的准确性。     

基于VUMAT的海洋结构物撞冰行为数值仿真

对海洋结构物撞冰行为和冰载荷特性进行研究.基于ABAQUS通用有限元软件平台开发理想弹塑性冰材料VUMAT用户子程序;根据Tsai-Wu屈服准则和经验失效准则,采用完全隐式向后欧拉回映算法实现冰材料应力和应变的更新,并通过单个单元的压缩和拉伸试验验证该子程序的可行性.采用已开发的冰材料VUMAT子程序模拟刚性直立圆柱结构以不同速度撞击平整冰排,研究海冰的损伤过程,并分析碰撞速度对结构物承受冰载荷的影响.模拟刚性勺型破冰艏冲撞式破冰场景,并研究冰层厚度对冰载荷的影响.     

脆性冰与加筋板接触的近场动力学模拟

文章应用了一种被称为近场动力学的无网格方法来模拟层冰与加强板的接触过程。介绍了键型近场动力学的基本理论和数值方法。为了描述物体连续或不连续区域,近场动力学采用了统一空间积分—时间微分方程。短程排斥力用来描述属于不同物体内的物质点之间的相互作用力。考虑到冰的拉伸压缩强度的不同,数值模型中采用了一种弹脆性的本构模型。通过将近场动力学模拟结果与实验对比来确定应用近场动力学方法模拟冰—结构相互作用的可行性与准确性。数值模拟的冰力与冰载荷分布与实验数据和船舶设计假定一致。     

船-冰碰撞下冰材料有限元数值方法研究进展

浮冰碰撞下极地船舶结构响应研究是当今的热点话题.由于冰体是一种包含着固体冰、卤水、气体以及杂质等较为复杂的天然复合材料,其力学性质受盐分、杂质等成分含量,以及温度、应变率和形成年份等因素影响较大,开发准确有效的冰体材料本构模型以及有限元数值模拟方法是船-冰相互作用研究的关键难点问题.本文总结了几种常见的冰体有限元数值材料模型,如各向同性弹性失效材料模型、弹塑性材料模型、损伤材料模型以及可压碎泡沫型材料模型等;此外,选取了三种模型实验工况,开展了与实验场景相对应的不同冰材料模型下有限元数值模拟,对比分析了各自冰材料模型的特点以及应用局限;最后,总结了用于船-冰碰撞数值模拟的冰材料模型准确性和可行性评估方法,以便给今后所开发的冰材料数值模型提供验证手段.     

冰载荷空间分布对舷侧结构响应的影响

极区船舶与浮冰发生碰撞时,冰载荷压力并不均匀,主要分布于结构与浮冰接触的中心区域,这与冰区加强区域结构设计和强度校核采用均布压力作为设计载荷并不一致.参考真实压力分布,以实测压力分布形式离散模拟冰载荷,形成考虑空间分布的冰载荷加载方法.建立舷侧结构有限元模型,分别以均布和考虑空间分布的离散方式将基于能量法计算所得冰载荷作用于舷侧,同时考虑不同浮冰形状和作用位置对空间分布的影响.结果 表明,冰载荷的空间分布对结构响应结果的影响较大,其中浮冰形状为楔形,且作用位置为板格中心的加载工况最为显著.研究过程与结论可为极区船舶设计考虑船冰相互作用时的冰载荷加载方式提供参考.     

基于离散元方法的海冰数值模拟

介绍了海冰离散元模型的建立过程，通过模拟海冰与结构相互作用的过程来研究冰载荷的作用规律，并探讨海冰速度、海冰厚度以及结构直径对结构所受冰载荷的影响。结果表明，离散元方法可以较好地表现海冰破碎形式并能准确预测冰载荷，且冰载荷与3种影响因素都为正相关关系，其中海冰厚度对冰载荷的影响最为明显。     

锥体海洋平台结构冰荷载的离散单元分析

在冰区油气开发中,锥体结构可以有效降低冰力,避免强烈的冰激振动,是目前渤海油气平台的主要结构形式。为研究海冰与锥体结构的相互作用过程,文章建立了适用于模拟海冰破碎特性的离散单元模型。该模型将海冰离散为若干个具有粘接-破碎功能的颗粒单元,并通过海冰弯曲试验确定了单元间的粘接强度;然后对海冰与锥体结构的作用过程进行了数值计算,获得了相应的动冰荷载及冰振响应;在此基础上讨论了不同锥角影响下冰荷载及结构振动响应的变化规律。结果表明,水平方向冰荷载及结构冰振响应随锥角的增加明显增加,而竖直方向冰荷载则显著降低。该离散单元模型还可进一步应用于不同类型抗冰结构的冰荷载分析,有助于解决冰区结构物的抗冰结构设计和冰致疲劳分析。     

冰致海上风电基础结构稳态振动分析

为了明确海上风电基础结构稳态振动发生的条件,根据原型结构用ANSYS软件建立有限元模型,利用经验公式对海上风机基础结构发生稳态振动的冰况进行理论计算;采用具有黏结-破碎功能的离散元方法对不同冰况下的冰与海上风机基础结构相互作用进行数值模拟,得到不同冰况下结构振动模式;依据渤海海域冰厚冰速分布概率经验公式,得到海上风电基础结构可能会出现稳态振动的概率。结果表明,在满足一定条件的冰况下,海上风电基础结构可能会发生稳态振动和出现频率锁定现象,但发生的概率很小。     

船冰相互作用研究方法综述

船舶在冰区航行以及海洋结构物在冰区的运营中,结构物与海冰的相互作用是一个关键问题。由于海冰的材料特性复杂,目前对于相关问题的了解有限,开发有效的本构模型以及对数值方法应用的改进是船冰作用研究的关键。文章对近年来船冰作用问题的研究方法进行了总结。船冰作用的主要研究方法包括试验法、有限元法、离散元法和概率法。通过试验能够获得最直接的数据,同时也是建立海冰本构模型的基础,但试验成本高昂;有限元法理论基础扎实,商业软件较多,方便实现,但在模拟冰的脆性破碎和碎冰大尺度移动方面能力有限;离散元法能够更好地模拟冰的破碎与离散的特点,但目前该方法的开发应用不够完善;由于冰的某些特性如内部缺陷大小和方向具有随机性,因此概率法也被认为适于研究冰的部分问题。     

冰区航行船舶冰阻力研究方法综述

船舶在冰区航行时的冰阻力性能一直是国内外关注和研究的重点。冰阻力的研究主要集中在经验方法、数值模拟和实验研究三个方面。同时,由于冰区船舶在航行过程中频繁地与冰层或浮冰产生碰撞,海冰的材料结构和力学性质对冰阻力的研究有重要影响。文章从冰的物理力学特性出发,简要回顾几种重要的冰本构关系模型及其适用性;并从经验方法及试验与数值模拟相结合两个角度,回顾和讨论浮冰区和平整冰区中船舶的冰阻力性能研究进展;最后,基于研究现状提出尚需进一步解决的问题。文章旨在介绍冰区船舶冰阻力性能的研究进展,望能为后续冰阻力研究提供参考。     

极地钻井船系泊冰阻力与运动响应数值模拟研究

论文建立了系泊状态下的极地钻井船与平整冰相互作用的二维数学模型,首先通过几何方法搜寻船体与冰体之间相互接触的所有区域来模拟平整冰在船体水线面处的破冰过程,再采用半经验的冰阻力计算公式模拟冰块的翻转和滑行过程。利用该数值模拟方法获得了Kulluk号极地钻井船的冰阻力、系泊力及运动响应的时间历程,并将数值模拟结果和钻井船冰区实测结果进行了对比。研究表明,数值模拟结果与实测结果总体而言吻合,论文的数值模拟方法能够较好地模拟系泊冰阻力随冰厚和冰速变化的规律,具有一定的工程应用价值。数值模拟与实船实测结果之间存在一定的差别,产生的主要原因是实测数据较少,数据统计时存在一定的不确定性。     

船首-冰层碰撞下的船体结构变形及损伤模式演化

基于非线性有限元方法模拟船首-冰层碰撞动态过程，从船体结构吸能、应力场分布、结构变形和损伤演化等角度研究不同碰撞场景下的船-冰相互作用响应特征，总结得到碰撞角度、碰撞部位和冰层厚度等因素对船首结构吸能、结构变形和损伤模式演化的影响机理。研究结果表明：在船-冰碰撞过程中，船体外板先发生变形，随后靠前的纵骨面板和腹板倾覆、断裂；随着撞击的深入，肋板倾覆，外板剧烈弯曲甚至损伤，外板为主要的吸能构件，甲板纵骨和甲板纵桁吸能最少。     

冰区加强型散货船碎冰航道航行阻力数值计算研究

应用CFD-DEM方法对某型冰区加强型巴拿马散货船在碎冰航道航行的船舶阻力进行了计算研究。船-水相互作用建立在欧拉框架下,船-冰相互作用应用拉格朗日框架下的DEM方法实现。参照汉堡水池试验影像和试验参数建立DEM冰粒子和碎冰航道的计算模型。结果表明,CFD-DEM耦合计算方法充分考虑了船-水相互作用和流体与粒子间的相互影响,能较好地模拟了船-冰相互作用和发生的现象。船-冰接触力和总阻力随着船舶进入碎冰航道呈现逐渐增大,然后逐渐趋于平稳。数值计算的船舶总阻力值与试验结果对比,平均误差为5.03%,这项研究可为船舶在碎冰航道航行的数值预报提供参考。     

基于原位悬臂梁试验的模型冰弹性模量研究

弹性模量作为模型冰的基本力学特性之一,在模型试验过程中影响冰层与结构的相互作用过程.另外,弹性模量与抗弯强度的比值是评估模型冰质量的重要指标.本文基于中国船舶科学研究中心的小型冰水池采用的原位悬臂梁试验对模型冰的弹性模量进行试验研究.试验时对冰梁外端部加载,利用接触式位移传感器记录冰梁五个不同位置的动态挠度,然后通过最小二乘法拟合冰梁的挠曲线以求得模型冰的弹性模量,拟合的同时考虑冰梁所受的浮力影响,进而对加载力进行修正.基于上述方法,研究加载速度和回温时间对模型冰弹性模量的影响,同时基于试验结果对弹性模量和弯曲强度之间的关系以及它们的比值进行了探讨.     

船冰碰撞载荷下船舶结构加强方案研究

为了探究水介质对船—冰碰撞结构响应的影响,文章首次对考虑水介质中的船—冰碰撞问题进行了研究。模拟了船舶与冰体在水介质中的碰撞场景,研究船—水—冰三者共同耦合作用对船—冰碰撞的影响。将该计算方法应用于船—冰碰撞的多种工况计算,对比分析了增加外板厚度、横隔板厚度以及肋骨间距等多种加强方案对船体结构响应的差异。揭示了碰撞区域的损伤变形、碰撞力、结构吸能随外板厚度、横隔板厚度和肋骨间距的变化而变化的规律,分析了船舶肩部各主要构件对于抵抗冰载荷作用的能力及贡献。所得结论对于进行冰区船舶结构设计具有参考作用。     

基于SPH方法的连续式破冰数值模拟

根据海冰的力学性质,采用光滑粒子流体动力学(SPH)方法建立海冰本构模型,模拟冰锥实验并与实验结果对比,对冰材料模型准确性进行验证.利用显式动力分析软件LS-DYNA模拟破冰船连续式破冰,得到了海冰的损伤变形和破冰阻力,同时研究了船舶航速和海冰厚度等参数对冰载荷的影响.分析研究表明:应用SPH方法建立的海冰模型能够真实的反映海冰的力学性能,对连续式破冰过程实现较为准确的模拟,为船冰碰撞的数值模拟提供了新思路.     

平整冰层中海工结构冰载荷研究方法综述

海工结构与平整冰层作用时,海冰的物理力学特性和冰层的失效模式会严重影响结构冰载荷的大小。首先,简要介绍海冰的物理力学特性,简述平整冰层与海工结构作用的物理过程;然后,从公式估算方法、试验测量方法和数值计算方法这3个方面对平整冰层中海工结构冰载荷的研究进展进行梳理。通过讨论公式估算方法的优缺点和适用性、试验测量方法研究的重难点以及数值计算方法的发展趋势,发现模型试验测量方法是有效的结构冰载荷研究手段。所做工作给出了海工结构冰载荷的研究趋势和面临的问题,可为领域学者的研究提供一定的参考。     

浮冰冲击作用下的乙烯运输船舷侧结构强度分析

对无限航区的21000m3乙烯运输船舷侧结构,分别采用纵骨架式和横骨架式冰区加强设计。根据FSICR规范要求,更新舷侧冰带区域内构件尺寸,并针对艏部冰带区域内船体结构,分别建立了原始的、纵骨架式的和横骨架式的冰带结构设计有限元模型。通过强度计算,认为艏部冰带区新结构满足规范设计载荷要求。在此基础上,单独建立艏货舱冰区舷侧外板板架有限元模型,研究两种新设计形式适用的外板在更大浮冰冲击载荷作用下塑性变形。计算结果表明:纵骨架式结构外板塑性变形明显低于横骨架式。     

浮冰冲击作用下的乙烯运输船体 舷侧结构强度分析

对无限航区的21000m3乙烯运输船舷侧结构,分别采用纵骨架式和横骨架式冰区加强设计。根据FSICR规范要求,更新舷侧冰带区域内构件尺寸,并针对艏部冰带区域内船体结构,分别建立了原始的、纵骨架式的和横骨架式的冰带结构设计有限元模型。通过强度计算,认为艏部冰带区新结构满足规范设计载荷要求。在此基础上,单独建立艏货舱冰区舷侧外板板架有限元模型,研究两种新设计形式适用的外板在更大浮冰冲击载荷作用下塑性变形。计算结果表明:纵骨架式结构外板塑性变形明显低于横骨架式。