基于流固耦合方法的极地船型破冰性能研究

破冰性能是极地船舶总体性能的重要组成部分,开展极地船舶破冰性能理论研究对极地船舶的船型开发具有重大意义。论文选用带有塑性应变失效准则的弹性断裂失效材料模型模拟平整冰层,采用LS-Dyna流固耦合方法模拟极地船舶在极地无限冰区中连续破冰航行的场景,分析3种不同船型船舶的破冰性能差异。研究结果表明,在平整冰区连续破冰航行过程中,极地船舶所受冰载荷具有高度非线性震荡特征,船首与冰层直接作用区域的应力呈环状分布。直立型首和球鼻型首极地船型主要使冰层发生挤压破坏,而破冰型首极地船型能够有效引导冰层发生下压弯曲破坏,并最大程度地限制冰层的挤压破坏,其破冰性能优于其余两船型。     

基于MD Nastran的船—冰碰撞数值仿真研究（英文）

船舶与海冰的碰撞过程十分复杂,涉及多种非线性问题。文章运用MD Nastran对船舶艏部与冰的碰撞进行数值仿真计算,来模拟这一过程。得到了碰撞结束后,船首和海冰的损伤变形情况,船体结构的应力应变情况,以及在船—冰相互作用过程中的能量变化,应力应变变化。研究结果描述了船舶与冰碰撞的详细过程,揭示了冰载荷作用下船体结构的响应规律,可为船舶抗冰载荷设计提供参考。     

基于MD Nastran的船-冰碰撞数值仿真研究

船舶与海冰的碰撞过程十分复杂,涉及多种非线性问题。文章运用 MD Nastran对船舶艏部与冰的碰撞进行数值仿真计算,来模拟这一过程。得到了碰撞结束后,船首和海冰的损伤变形情况,船体结构的应力应变情况,以及在船—冰相互作用过程中的能量变化,应力应变变化。研究结果描述了船舶与冰碰撞的详细过程,揭示了冰载荷作用下船体结构的响应规律,可为船舶抗冰载荷设计提供参考。     

水介质对船冰碰撞结构响应的影响

以极地运输船舶艏部作为研究对象,建立基于流固耦合算法的船-水-冰耦合技术对三维船艏与冰体碰撞的结构响应问题进行了研究,结合非线性有限元软件LS-DYNA对比分析了考虑流固耦合(即有水介质)的船-水-冰碰撞模型和不考虑流固耦合(即无水介质)的船-冰碰撞模型与同质量不同速度的冰体发生碰撞下的结构响应问题,揭示了不同碰撞工况下船舶在损伤变形、碰撞力、速度等方面的变化特征及差异,同时阐述了水介质在船冰碰撞中的作用,可以为极地运输船舶的抗冲击结构设计提供参考。     

基于动力效应的船体远场冰载荷测量与识别

[目的]提出一种基于动力效应的冰载荷反演识别方法。[方法]针对船-冰相互作用过程和结构响应特性之间的卷积关系,使用格林函数建立描述冰载荷的卷积积分方程。针对"天恩"号极地运输船的北极航行,安装应变传感器测量船艏区域的冰激响应。对于求解矩阵的病态性与测量中的随机噪声,引入正则化方法解决识别计算中的不适定问题,并获取动冰载荷时程的数值近似稳定解。依托"天恩"号极地运输船的北极航行实测数据,通过船体在海冰作用下的应变响应对冰载荷进行反演识别。[结果]结果表明,格林函数能够有效识别远场冰载荷的时间历程。[结论]载荷识别的有效性受应变信号强度的影响较为明显。此外,在不同海冰破坏模式下,浮冰尺寸和船-冰接触面积是影响冰载荷特征的关键因素。     

极地双向破冰船艉部线型适应性分析北大核心CSCD

[目的]为保证极地双向破冰船的破冰航行能力,需重点开展该类船舶的艉部线型设计。[方法]通过调研大量现役极地船舶和梳理现行规范,研究吊舱推进单元的冰载荷作用模式以及冰在船舶作用下的破坏过程,进而开展吊舱推进式极地船舶艉部线型的关键设计特征参数分析与适应性分析。[结果]研究结果表明,艉封板倾角将直接影响破冰时船体作用于海冰的水平分力和垂直分力,可适当增加该倾角以有效引导海冰的弯曲断裂;W型艉封板横剖线型可以调和流场优化与碎冰外排效率之间的矛盾;吊舱安装底座可以发挥一定的破冰作用,但将影响吊舱流场;艉鳍对船尾流场和碎冰外排也存在较大影响。[结论]研究成果可为吊舱推进式极地船舶艉部线型的适应性优化设计提供参考。     

船-冰碰撞中考虑温度影响的冰体材料本构模型研究

近年来随着全球气候变暖加剧，海冰消融速度加快，北极航道的全面开通成为可能。北极地区环境恶劣，即使在夏季浮冰和冰山也广泛存在，对极地船舶结构安全性产生了严重的威胁，船-冰碰撞问题也越来越受到国内外学者的关注。但是，由于海冰材料复杂的物理和力学特性，目前对海冰以及冰载荷的研究仍然面临诸多困难，其中对其本构关系的合理准确描述一直是影响相关问题计算分析的关键因素。本文结合国内外海冰实验数据，考虑温度的影响，建立了基于多曲面屈服准则的海冰材料本构模型，通过二次开发编写材料本构子程序并嵌入有限元软件LS-DYNA材料模型中。以此为基础，建立典型工况船-冰碰撞场景，分析了船体结构与冰体结构的损伤变形特点。本文研究成果可为极地船舶的结构设计制造与安全性评估提供参考。     

油轮艏部结构碰撞特性研究

在船舶碰撞中,船艏是主要作用方.船艏结构的碰撞特性是影响船-船碰撞过程中被撞船舷侧结构损伤程度的决定因素.为减少碰撞事故损失,应从碰撞的观点对船艏结构的特性进行研究,提出一种研究船艏的碰撞特性的方法及表征船艏碰撞特性的特征量,据以改进船艏设计.根据船艏结构本身的碰撞破损过程,对船艏结构碰撞力与破损深度的关系、艏部构件在碰撞过程中的损伤形态和能量耗散进行了研究,指出碰撞力曲线是船艏结构的一种固有特性.提出了碰撞力面积密度曲线的概念,它可以用于定量表达船艏结构对其它结构的破坏能力.利用有限元数值模拟方法计算了一艘4万吨船艏的碰撞损坏实例,显示了上述碰撞特征并讨论了提高碰撞数值模拟计算精度的方法.     

基于ANSYS/LS-DYNA的船冰碰撞数值分析

在极地海域复杂环境下,船舶在长距离航行中一旦与冰山或大冰块发生碰撞,极短时间内会产生巨大的冲击载荷,可能造成非常严重的海上事故等。运用有限元分析法,借助有限元分析软件ANSYS/LSDYNA对相关船舶球鼻艏与冰的碰撞情况进行数值分析,得到船舶球鼻艏结构的能量-时间关系曲线,以及碰撞力-时间关系曲线,并对各种碰撞参数所导致的结果进行定性的分析和讨论,得到不同初速度的船与冰碰撞以及不同吨位的船与冰碰撞对船舶球鼻艏破损情况的影响,对船冰碰撞领域的研究有一定的指导意义。     

船艏冰刀对船冰碰撞时结构动力响应影响分析

为探讨极地冰区船舶通过加装船艏冰刀的方式能否改善船冰碰撞结构动力响应的问题,采用非线性有限元方法,从能量转换、应力、应变云图、碰撞力和船速随时间变化关系等多个角度,比较有、无艏部冰刀两种情况下,船舶艏部与排冰发生碰撞时的动力响应规律。结果表明,加装艏部冰刀可减小船体自身的损伤和变形,改善船舶破冰性能。     

浮冰碰撞下船体板塑性动力响应预测方法

[目的]极地航行的船舶会遭受浮冰碰撞,在一些极端冰碰载荷作用下船体板会出现永久塑性变形,严重影响船舶的安全和工作性能,极大地增加了极地船舶的维修成本。因此,亟需提出浮冰碰撞下船体结构塑性动力响应的预测方法。[方法]针对简化的浮冰-船体板碰撞模型,基于冰体破坏能量分析方法和船体板塑性动力响应刚塑性理论方法,探讨冰体与船体板碰撞过程中的碰撞能量分享机制,提出冰体碰撞下船体板的塑性动力响应解析式,并对比解析结果与数值结果。[结果]结果显示,所提解析方法可靠,可以快速预报冰体碰撞下船体板的塑性变形值以及碰撞力。[结论]所做研究具有较大的工程应用价值。     

基于不同形式和刚度撞击船艏的舷侧结构碰撞性能研究

为了研究撞击船艏形状及刚度对碰撞历程损伤变形产生的影响,利用数值仿真软件MSC/Dytran,对不同形式及刚度的球艏型船艏撞击下被撞船舷侧结构的碰撞性能进行了定量的分析研究.结果表明:船艏形式及刚度对船舶碰撞安全性会产生影响,撞击船艏部与被撞船舷侧的接触面积越大,舷侧结构吸能越多,其碰撞安全性也就越好.考虑实际船艏结构刚度的影响可以提高极限撞深,从而增加舷侧各构件的吸能效果,对舷侧结构的碰撞安全性有利.     

基于ABAQUS的海冰单元开发及冰载荷直接计算法北大核心CSCD

[目的]随着全球气温的不断升高,北极冰层逐渐融化,开发利用北极航线和北极资源受到国际社会的广泛关注,各国掀起了新一轮的极地船舶建造高潮,而在极地船舶的设计过程中,如何确定船舶冰载荷显得尤为重要。近年来,采用数值方法计算极地结构受到的冰载荷逐渐成为国内外学者关注的重点,而目前的通用商业有限元软件中缺少特定用于模拟海冰力学特性的相关海冰单元,为相关数值研究工作的开展增加了困难。针对这一问题,[方方法]结合Reinicke和Remer提出的各向同性海冰失效准则,在ABAQUS二次开发平台UEL上开发用于模拟海冰失效的新型单元。在所开发的单元中引入弹性基础用以模拟浮力和重力的作用。采用典型的斜坡和圆锥结构算例并结合相关规范公式对所开发的新型单元进行验证。[结果]对比二者之间的计算结果发现,直接计算法与规范公式的计算结果吻合较好。[结论]所提出的直接计算法能够为冰区结构设计提供工具和一定的参考。     

基于ABAQUS的海冰单元开发及冰载荷直接计算法

[目的]随着全球气温的不断升高,北极冰层逐渐融化,开发利用北极航线和北极资源受到国际社会的广泛关注,各国掀起了新一轮的极地船舶建造高潮,而在极地船舶的设计过程中,如何确定船舶冰载荷显得尤为重要。近年来,采用数值方法计算极地结构受到的冰载荷逐渐成为国内外学者关注的重点,而目前的通用商业有限元软件中缺少特定用于模拟海冰力学特性的相关海冰单元,为相关数值研究工作的开展增加了困难。针对这一问题,[方方法]结合Reinicke和Remer提出的各向同性海冰失效准则,在ABAQUS二次开发平台UEL上开发用于模拟海冰失效的新型单元。在所开发的单元中引入弹性基础用以模拟浮力和重力的作用。采用典型的斜坡和圆锥结构算例并结合相关规范公式对所开发的新型单元进行验证。[结果]对比二者之间的计算结果发现,直接计算法与规范公式的计算结果吻合较好。[结论]所提出的直接计算法能够为冰区结构设计提供工具和一定的参考。     

计及流体影响的船舶回转冰阻力数值模拟

[目的]极地船舶在极地航行时,复杂的冰阻力不仅会给船舶带来结构上的威胁,还对船舶的操纵性提出了新的挑战,尤其当船舶在层冰区中进行转向运动时,挑战更大。近年来的研究主要集中在船—冰碰撞的强相互作用上,而少有研究流体对冰阻力的影响。[方法]采用非线性有限元法,基于适当的冰材料模型和合理的耦合破坏模式,研究船舶回转运动过程中冰与船之间复杂、强烈的非线性相互作用。同时,采用流固耦合方法,研究流体对船—冰相互作用的影响。[结果]数值结果与经验公式的对比确定了模拟的有效性与可靠性,其中对比有、无流体作用时船舶受到的纵向、横向和垂向冰阻力情况显示,计及流体影响时,船舶的冰阻力在3个自由度上会有明显提升。[结论]船舶破冰回转运动中考虑流体对冰阻力的影响,能准确预测船舶回转时的冰阻力且能有效保证船舶的航行安全。     

船舶舷侧与小型冰山碰撞数值模拟分析

[目的]研究船舶舷侧结构与小型冰山的碰撞问题。[方法]基于罚函数法和任意拉格朗日-欧拉(ALE)方法建立非线性有限元分析模型,针对某油船的船体双层舷侧结构与球形冰山的相互作用过程进行数值模拟,考虑船体结构的变形、海冰的破坏以及碰撞过程中的水动力作用,分析不同碰撞角度对碰撞速度、碰撞力以及结构能量吸收的影响。[结果]结果表明:该数值模型可以较为充分地模拟舷侧结构与冰山的相互作用过程,在碰撞过程中,其碰撞力的峰值与碰撞角度及冰山是否破碎情况有关;碰撞力峰值随着碰撞角度的增大而增大,相对于其他角度的碰撞,在冰山的垂直碰撞情况下,流体对于冰山的速度有着较为明显的衰减作用;在舷侧各结构构件中,舷侧外板为碰撞过程中主要的吸能构件,且当冰山发生破碎时,因在破碎过程中会消耗能量,结构吸能会相对减少,故碰撞力的增幅会小于未破碎情况。[结论]为保证极地航行船舶的安全,可以适当增加舷侧结构强度,并在遭遇冰山时避免大角度的碰撞。     

基于DYTRAN的船艏砰击响应仿真分析

船舶在波浪中航行时,由于船体和波浪之间的剧烈相对运动,会出现砰击现象。与波浪发生直接冲撞的船艏是砰击现象发生最严重的区域,会引起局部结构屈曲变形。本文基于有限元软件MSC.PATRAN、MSC.DYTRAN软件,对船艏不同位置的三维船艏入水的过程进行数值模拟分析,研究了船艏结构入水砰击过程中结构响应问题。     

高强度钢缓冲型船艏研究

在船舶碰撞事故中，一般船侧的破损程度比船艏大，从环境保护的全局意识及降低整体经济损失的角度出发，应该在保证船艏结构在能够承受常规载荷的前提下适当地减小其纵向刚度，使其在撞击船侧时导致船侧破损的可能性降低。笔者从损伤形态，碰撞力，碰撞力密度和能量吸收等方面对采用高强度钢的缓冲船艏进行研究，发现船艏结构采用高强度钢在等强度的条件下，可减少结构的板厚和船艏结构的临界压溃载荷，从而降低对被撞船舶侧结构的破坏。     

船舶与冰排碰撞结构响应研究

冰排的层厚、流速以及特性在很大程度上影响船舶与冰排碰撞的结构响应。本文分别建立船舶和冰排的有限元模型,采用LS-DYNA进行碰撞接触计算,模拟船艏与冰排发生碰撞。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等单个碰撞参数,对比研究不同碰撞工况下船舶的损伤变形、碰撞力等结构响应差异。得出上述因素对船—冰碰撞的影响规律,为提高船舶抗冰载荷设计提供参考。     

不同敏感性参数下船舶-碎冰碰撞的船体结构响应

基于我国第七次北极科学考察获得的夏季北极海冰空间分布情况,模拟真实碎冰分布,采用LS-DYNA软件中的流固耦合方法,研究在船舶航速、碎冰尺度、碎冰厚度及碎冰密集度等因素影响下船舶-碎冰碰撞的船体结构响应。结合试验数据得到船体结构的应力、吸能和碰撞力。结果表明：船舶-碎冰的主要碰撞区域为艏部及舷侧的水线附近;在船舶航行于碎冰域时,船体结构的应力、吸能和碰撞力的峰值随碎冰域的船舶航速、碎冰尺度、碎冰厚度及碎冰密集度的增加而增加,但分布情况不同。研究结果为船舶在极地冰区航行提供一定的安全性参考。