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.     

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。     

计及结构变形能的冰载荷快速计算方法

借助解析方法估算出的船冰碰撞中舷侧3个典型碰撞位置结构变形能,对计算冰载荷的能量法进行修正和完善,得到计及结构变形能的冰载荷计算能量法,采用MATLAB编程计算得到不同接触面形状的有限大海冰与船舶舷侧3个典型位置相撞时的最大冰载荷和冰载荷随时间变化的曲线,实现了对冰区航行船舶局部冰载荷快速而准确的估算。     

撞击参数对舷侧结构的失效模式分析

碰撞载荷下船舶结构的变形与失效一直是业界的研究热点,但以往的研究并没有深入分析舷侧结构的失效形式。本文通过对各种不同撞击参数舷侧结构碰撞模式的数值模拟,分析了舷侧结构的失效模式。结果表明,船舶碰撞载荷下舷侧结构失效主要体现在局部塑性变形,甲板手风琴式撕裂,外板撕裂,以及横框架的屈曲。     

冰区航行中船体结构冰压力分布特性的离散元分析

冰区船舶表面冰压力分布规律是其结构安全预警和冰载荷监测的重要辅助信息.本文采用基于GPU(Graphics Processing Unit)并行和粘结-破碎模型的离散元方法模拟平整冰在不同冰况条件下的破碎过程,进而获得船体结构表面的冰压力分布和大小.在冰压力的计算中,考虑时间上的累积效应,即累积最大值和累积平均值,从多个角度分析了船体结构表面的冰压力危险区域和冰压力分布特性.通过船体结构直行破冰的离散元模拟,分析了船体结构的总体冰载荷和局部冰压力.为验证本文方法在船体结构冰压力分析中的可靠性,根据冰载荷的IACS规范计算了船体结构与大块浮冰自由碰撞过程,对比分析了碰撞点上的冰压力.计算结果表明,离散元计算结果与规范对比误差保持在6.7％～18.1％之间.本文方法为冰区船舶的设计研发提供了可靠的分析手段,其计算结果可为船体结构的冰区航行安全预警和冰载荷监测提供合理的辅助决策信息.     

基于SPH-FEM方法的舷侧与冰山碰撞结构响应

传统的有限元数值仿真对于研究高速碰撞大变形等问题具有一定的局限性，建立一套基于光滑粒子流体动力学（SPH）的水介质中小型冰山与船舶舷侧碰撞数值模拟方法，验证SPH模拟冰材料与船-水-冰耦合的合理性，对不同舷侧部位与不同冰山碰撞工况进行数值模拟，分析碰撞形状、面积和速度等对舷侧结构的应力、应变、结构损伤等的影响规律。研究表明，提出的冰山与舷侧碰撞数值模拟方法具有较高的计算精度，对冰山-船舶碰撞的研究具有重要的参考价值。     

冰区加强LNG船舷侧抗撞性能仿真研究

航行于北冰洋海域的LNG船必须具备抵抗冰山撞击的能力。针对LNG船纵骨架式和横骨架式冰区结构加强方案,开展比较分析,评价LNG船舷侧抵抗冰山撞击的能力。根据CCS规范对LNG船舷侧分别进行纵骨架式与横骨架式冰区加强设计。利用有限元数值仿真技术和LS_DYNA软件,模拟冰山撞击LNG船舷侧场景,得到船体结构变形、碰撞力和能量吸收等结果。研究发现：横骨架式在相邻强横肋位之间结构较弱,纵骨架式表现出更好的抗冰撞击性能;冰带加强骨材在抵抗冰载荷过程中发挥重要作用;在提高抗冰撞击性能的前提下,纵骨架式加强方案拥有更佳的经济效益。     

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.     

船舶结构冰载荷的监测识别方法及时空特性分析

冰载荷是主导极地船舶结构抗冰设计的环境载荷，对冰激应变的实船测量是获取冰载荷的重要途径。在我国北极科考期间，对“雪龙2”号极地考察船开展了冰载荷现场监测。论文基于对正应变测点布放位置敏感性的分析，合理制定光纤光栅传感器的安装方案，采用影响系数矩阵法对冰载荷进行识别。在此基础上，针对平整冰区冲撞式破冰工况下冰载荷的整体和局部时空分布特性开展研究。结果表明：肋骨腹板上靠近且垂直于外板的挤压正应变比平行于外板的弯曲正应变更适合于作为冰激应变的观测量；海冰沿船体表面擦碰及受船体下压作用而发生弯曲破坏，冰载荷在船体首肩部呈现自水线下潜至船底的整体空间移动特性；高压力区形状和面积变化不明显、组成部分缺失以及主次压力区转换等瞬时演变形式分别是海冰纯挤压、剥落和非同时挤压等局部破坏模式的外在表现。结果可为船舶结构冰载荷的监测识别技术与时空分布特性研究提供参考。     

船舶抗冰碰撞舷侧结构加强方案及优化设计

本文介绍了船-冰碰撞数值仿真中涉及的关键技术,以船舶肩部舷侧区域与棱角冰发生碰撞作为计算工况,对所选船舶舷侧与冰体碰撞进行数值仿真,根据舷侧响应特征指出其进行结构加强的必要性。由此提出几种舷侧常规加强方案,通过分析各自与冰体接触区域船体外板上受到的平均应力以及碰撞过程中船体结构发生塑性破坏的程度,指出结构仍然存在的问题以及后续加强的方向。最后,设计了2种新型舷侧结构并对其进行优化,验证了其具有较优的抗冰碰撞性能,得到了抗冰碰撞舷侧结构设计的相关结论。     

船舶抗冰碰撞舷侧结构加强方案及优化设计

本文介绍了船-冰碰撞数值仿真中涉及的关键技术,以船舶肩部舷侧区域与棱角冰发生碰撞作为计算工况,对所选船舶舷侧与冰体碰撞进行数值仿真,根据舷侧响应特征指出其进行结构加强的必要性.由此提出几种舷侧常规加强方案,通过分析各自与冰体接触区域船体外板上受到的平均应力以及碰撞过程中船体结构发生塑性破坏的程度,指出结构仍然存在的问题以及后续加强的方向.最后,设计了2种新型舷侧结构并对其进行优化,验证了其具有较优的抗冰碰撞性能,得到了抗冰碰撞舷侧结构设计的相关结论.     

船-冰碰撞的模型试验方法研究

为揭示船-冰碰撞过程中冰载荷的时空演变历程,对模型试验方法进行探索和研究。在对船-冰碰撞过程与相关规范技术背景进行分析的基础上采用触觉式压力传感系统,实现了对船-冰碰撞载荷的辨识、整体作用轨迹的勾勒,及载荷局部空间分布与时间历程特征的提取。然后通过对试验参数的逐级率定,形成了完备的船-冰碰撞模型试验方法。试验数据表明,在船-冰碰撞的冰水池模拟中,宜采用船体固定拖曳撞击自由漂浮冰体的模拟方式,撞击位置宜设定在船体的首柱附近区域,浮冰质量至少为1.5倍的船体排水量,浮冰边缘角度以90°为宜。论文提出的局部载荷空间分布与时间历程特征的测试与提取方法可为今后船-冰碰撞载荷时空演变规律的深入认识提供参考。     

船-冰碰撞载荷下3种舷侧结构耐撞性分析

为探究船-冰碰撞载荷下横骨架式和纵骨架式2种船体结构的耐撞性能,利用MSC/PATRAN软件建立油船及冰体有限元模型,运用非线性有限元软件Dytran对船中舷侧结构与冰体棱角发生碰撞进行仿真。通过2种舷侧结构的船体与冰体碰撞,对比不同船体结构的损伤变形、碰撞力和能量吸收的差异,探究各种船体结构的优劣性。利用不同船体结构的优劣性能对现有的2种船体舷侧结构进行改进,合理布置横骨材、纵骨材的数量及尺度,在船舶总质量改变不大的前提下,采用优化混合骨架设计结构方法提高舷侧结构的耐撞性能。计算结果表明,该方案对冰区船舶结构加强具有重要的参考意义,可为提高冰区船舶耐撞性设计提供建议。     

传统双层舷侧结构的碰撞数值仿真研究

船舶碰撞是船体结构在很短的时间内承受巨大碰撞载荷作用的一种复杂非线性动态响应过程。应用非线性有限元数值仿真方法研究了传统双层舷侧结构在正碰状况下的碰撞性能,分析碰撞过程中舷侧结构的损伤特点和吸能特性,为研究提高舷侧结构抗撞性提供参考。     

某核动力平台双层舷侧结构耐撞性试验及数值分析北大核心CSCD

[目的]旨在研究某核动力平台双层舷侧结构的耐撞性能。[方法]分别建立全船和局部双层舷侧结构碰撞有限元模型,利用LS-DYNA软件进行碰撞仿真分析;在此基础上,设计双层舷侧结构准静态挤压缩比试验模型,开展相应准静态挤压试验,并与数值仿真结果进行对比。[结果]结果显示,对于船舶低速碰撞,局部结构模型与全船模型计算的结构响应基本一致。设计的准静态挤压缩比试验结果与数值仿真结果吻合较好,较好地反映了低速碰撞特性和结构变形模式,验证了数值仿真方法的正确性。双层舷侧结构的核动平台在受到5 000 t级船舶以2 m/s的速度碰撞时未发生破口,具有较好的抗碰撞性能。[结论]采用局部结构模型计算碰撞响应的精度较的,可大幅减少建模和计算的工作量。研究工作对于同类结构耐撞性能分析及碰撞试验研究具有一定的参考价值。     

冰-水耦合作用下船舶与浮冰碰撞动响应数值仿真研究

船舶在碎冰区航行时会受到浮冰的碰撞,为了准确模拟浮冰碰撞载荷作用下的船体局部结构承载特征,应当考虑碰撞过程冰-水耦合作用的影响。本文采用瞬态动力学分析程序MSC.Dytran对某水面舰船在碎冰区航行时受浮冰碰撞的动态过程进行数值仿真,得到了受浮冰碰撞下的船体结构响应、碰撞载荷及碰撞过程中的能量转化特征,对浮冰尺度、碰撞位置、舰船航速对船体结构响应及碰撞载荷的影响进行了分析并给出了相应的结论。本文研究工作对于碎冰区航行舰船的载荷确定及结构设计具有重要的参考价值。     

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。     

新型舷侧防护结构耐撞性能研究

采用数值仿真的方法对船舶碰撞动力学过程进行仿真再现。系列仿真计算结果表明,传统的舷侧结构在耐撞性能方面存在很多缺陷,针对大型VLCC船舶设计帽形、菱形、半圆管形三种新型纵桁形式的双层舷侧结构模型,并从碰撞载荷、结构损伤变形、能量的吸收与转换等角度对此三种新型舷侧结构与传统舷侧结构的耐撞性能进行对比分析,结果表明半圆管纵桁形式的双层舷侧结构模型具有最好的耐撞性。     

考虑船-冰-水耦合的寒地航行实体靶船载荷响应分析

为了研究寒地海域航行实体靶船与浮冰发生碰撞过程中的载荷响应,基于S-ALE流固耦合方法和罚函数接触理论构建船-冰-水耦合的数值模型,展开冰-水耦合、船-水耦合以及船-冰-水耦合机理的研究,详细分析碰撞过程中产生的水阻力与冰载荷。结果表明,S-ALE方法在处理船-冰-水相互作用时可以较好地模拟碰撞场景。船体受载主要由水阻力与冰载荷构成,冰载荷占据主要成分。水阻力受到航速的影响,且水域对冰载荷起到了削弱作用;冰载荷随浮冰厚度、尺寸的增加而增加,浮冰尺寸的影响程度高于冰厚。     

聚脲涂层对舷侧结构抗撞性能的影响

针对某型舰船舷侧结构的抗碰撞问题,通过数值模拟的方法,开展在有、无聚脲涂层模型板架和实船在碰撞载荷作用下的结构响应研究。以某型舰船的结构尺寸为依据,实尺度建立舷侧板架有限元模型,运用瞬态动力学软件MSC.Dytran对2种模型进行数值模拟,分别获得有、无聚脲涂层舷侧板架在碰撞冲击载荷作用下的碰撞力、应力应变与损伤变形;在此基础上,对有、无聚脲涂层的实船碰撞进行数值仿真研究。结果表明:在相同工况下,有聚脲涂层结构的舰船可抵抗更强的撞击力。