冰区海上风机结构的冰激疲劳寿命分析

冰载荷是诱发冰区海上风机结构疲劳破坏的重要因素,通常采用加装抗冰锥体的方式将海冰的挤压破坏转化为弯曲破坏,从而减小峰值载荷并削弱冰激振动。针对锥体风机结构在冰载荷作用下的疲劳寿命开展分析。基于渤海辽东湾某海域的现场监测数据确定了有效冰期、冰厚、冰速等疲劳分析参数,在冰速0～100 cm/s、冰厚0～30 cm范围内均匀划分50种疲劳工况,并将二者的联合概率分布作为疲劳工况的发生概率;采用具有粘结-破碎功能的球体离散单元构造海冰模型,计算风机与平整冰相互作用时的冰载荷时程及对应的热点应力;采用雨流计数法提取热点应力时程中的有效循环次数,根据S-N曲线和Miner线性累积损伤准则进一步计算其冰激疲劳寿命;最后将计算结果与通过锥体结构随机冰力函数构造冰载荷时程而得到的疲劳寿命相比较,验证了基于海冰离散单元模型的冰载荷时程构造方法的安全性与可靠性。     

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。     

船体直翼桨区域结构疲劳时域分析

针对船体直翼桨区域的结构疲劳问题,基于应力叠加原理,探讨激振载荷和波浪载荷联合作用下的结构响应时域计算流程.在此基础上,提出了该区域的结构疲劳时域分析方法.通过对某船进行疲劳损伤计算,分析了激振载荷和波浪载荷对疲劳寿命的影响.结果表明,2种载荷对直翼桨区域结构疲劳损伤占比较大,其中在靠近船体中线面附近,波浪载荷对结构疲...     

破冰船舵设备载荷计算方法

随着全球变暖,冰川消融,极区通航不仅为极区能源开采带来了极大便利,同时大大缩短了欧美与亚洲的航线距离。冰区航行中的船舶安全逐渐成为船舶设计建造时需首要考虑的因素。本文根据极地船舶航行特点,结合国内外行业规范对冰区船舶舵系设备的相关要求及载荷计算方法,运用冰/水动力学理论,研究舵系设备在冰带作用下的载荷算法,并运用有限元法对比了冰区与常规海况下舵设备的结构响应差异,可为实际冰区舵系设备的设计提供一定参考。     

地质调查船月池结构局部强度评估及优化

采用直接计算法对地质调查船的月池结构强度进行评估。对调查船全船建立有限元模型,并对月池结构进行细化;考虑月池区域局部载荷最大的工况,利用频域内的三维势流理论和设计波法计算地质调查船在各工况下的波浪载荷,同时考虑各工况下月池结构处井架支脚的支反力,进而计算月池结构在不同工况下的应力响应。参考散货船结构强度直接计算分析指南对月池结构强度进行评估,对不满足许用应力标准的结构给出了优化方案并进行了进一步的校核。结果表明,三维势流理论和设计波法为带有月池结构的船舶波浪载荷的计算提供了有效的技术手段,采用直接计算法所得到的评估结果可为该类船舶的设计开发提供参考。     

基于正则化方法的雪龙号破冰船冰载荷反演的研究

冰载荷是船舶在冰区航行中承受的最主要载荷。在冰、船碰撞过程中碰撞位置的随机性较强,导致实船冰载、荷识别方程求解存在着不适定性。论文针对雪龙号破冰船第八次北极走航,布放应变传感器阵列监测冰船作用过程中船体结构的响应,结合船体结构参数,建立测点位置和冰载荷作用位置跨区域的冰载荷反演数学模型,并用Tikhonov正则化方法求解冰载荷。计算结果表明该方法能有效识别冰载荷。将反演的冰载荷与国外相近破冰工况下破冰船承受的冰载荷进行对比,验证了论文使用的方法具有工程可用性。     

基于水动力—结构模型的VLGC强度和疲劳分析

超大型全冷式液化气船（VLGC）是国际上公认的设计及建造技术难度最大的船型之一,VLGC波浪载荷是船舶设计计算分析的重要载荷,准确的评估波浪载荷对船舶强度的设计非常重要。论文从DNV先进的水动力计算软件HydroD对VLGC船满载和压载工况下的波浪载荷进行了计算,得到了VLGC船相应工况下的运动响应和短期预报、长期预报值,并把计算出的波浪载荷传递到全船结构有限元结构模型中,加载分析得到了VLGC船的应力分布,对相应地方做了适当改进和加强,并对典型节点进行疲劳强度分析,得到了典型节点的疲劳寿命。对VLGC船整个波浪载荷传递到有限元模型的这一套流程做了分析和研究,也为进一步应用水动力方法计算其它船型的结构强度和疲劳寿命打下了良好的基础。     

高速双体船舶舾装件抗风结构疲劳损伤分析

常规疲劳损伤分析方法,判定不同线型构件对风载荷的影响时,构件尺度参数计算值存在偏差,导致获取响应应力值偏差较大。针对这一问题,提出高速双体船舶舾装件抗风结构疲劳损伤分析方法。建立舾装件抗风结构有限元模型,加载风载荷到结构模型,计算船体形状修正系数,修正抗风结构尺度参数,反映舾装件线型对载荷的影响,得到不同疲劳工况下,载荷承受体的响应应力变化规律,累积应力损伤,确定船舶航行周期内的疲劳损伤。设置3组疲劳工况,进行对比实验。结果表明,设计方法相比常规方法,应力值误差分别减小0.21%,0.15%,0.11%,提高了响应应力值的获取准确度,更有助于疲劳工况下应力损伤的判定。     

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。     

冰载荷作用下船体结构强度有限元分析方法

针对船舶在冰区航行过程中船体承受冰载荷的直接撞击作用,存在结构损坏风险的情形,旨在研究建立冰载荷作用下船体结构强度有限元分析的技术实施方法.分析船—冰相互作用特点,研究结构分析时冰载荷的理想化及施加方法,基于冰区船舶结构特点提出极地船舶有限元建模方法,考虑线性和非线性分析方法的差异研究结构强度校核准则,在此基础上,构建线性和非线性有限元分析方法在极地船结构强度分析过程中的实施方法和技术途径.通过实船结构船首和船中结构强度分析的计算验证,该方法具有较好的可操作性,可为极地船舶的结构强度分析提供参考.     

极地物探船冰载荷有限元计算方法

采用LS-DYNA有限元软件建立极地物探船的船-水域-海冰有限元模型，计算得到该型船在设计破冰厚度和设计航速下的冰载荷量和冰载荷时程曲线，并进一步研究冰体单元尺寸对冰载荷计算结果的影响。研究表明，冰载荷最大值随冰体有限元单元尺寸减小而减小。对比相关冰载荷经验公式计算结果，最终确定合理的冰体单元尺寸。研究结果对极地物探船的结构设计和结构安全性评估具有重要意义。     

冰区海上风机的动力响应及疲劳分析

本文针对冰区作业的海上风机进行动力响应分析与疲劳损伤计算。采用Kaimal风速谱进行风载荷计算。采用K?rn?冰力谱进行冰载荷计算。分别进行风载荷、冰载荷与风冰联合作用3种不同工况下的海上风机动力响应分析与疲劳损伤评估。结果表明,风载荷作用下塔筒顶端位移要远大于冰载荷作用。风冰联合作用下风机在泥面处的支座反力与弯矩均大于单一载荷的作用。冰载荷作用下风机的疲劳损伤小于风载荷所造成的疲劳损伤,但风冰联合作用下风机的疲劳损伤均大于任一载荷单独作用。采用DNV方法计算得到的疲劳损伤值较接近风冰载荷联合作用计算结果,且偏于保守。     

基于离散元方法的极地浮碎冰区船舶冰阻力

采用离散元方法建立浮/碎冰模型,结合欧拉多相流VOF方法数值模拟船舶与浮/碎冰之间的接触碰撞过程。重点对比分析船、冰作用过程中Hertz-Mindlin模型、Linear Spring模型和Walton Braun模型3种接触力计算模型对船-冰作用形式和冰阻力数值的影响。结果表明,在同一工况下,3种接触碰撞模型对船体周围碎冰运动模式变化的影响一致。对于船体所受冰阻力,通过分析船长方向和船宽方向的冰阻力数值,并将计算结果与采用Du Brovin经验公式计算得到的结果相对比,得出采用Linear Spring接触力计算模型计算得到的阻力幅值发散低,数值相对稳定,计算误差较小,为极地冰区船舶与浮碎冰相互作用的阻力计算提供参考。     

冰载荷实船测试研究进展

由于缺乏实际冰况信息和对应的船体冰载荷预报方法,实船测试成为获取冰载荷的重要方法。随着更多极区船舶的建造和冰区航行,近年来取得了丰富的实船测试研究成果。文章系统论述了自2015年以来国内外关于冰载荷实船测试方面的研究进展,包括冰载荷实船测试数据内容和方法、从测试数据到冰载荷的换算方法、冰载荷的影响因素和空间分布特征、冰载荷概率模型和设计极值预报方法等,最后归纳得到的冰载荷实船测试方面的主要研究结论,可为冰载荷的研究提供重要参考,并且指出将冰载荷极值预报方法应用于实船设计仍需要更多的数据积累和理论探讨。     

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.     

切口节点疲劳试验及损伤演化仿真研究

针对经常出现切口的船体结构节点连接处这一疲劳严重部位设计了一种切口试件。采用试验和数值计算方法研究切口节点在恒幅(CA)疲劳载荷下的疲劳特性。首先进行切口试件系列疲劳试验得到典型工况下的疲劳寿命值;然后引入基于损伤力学理论建立疲劳损伤演化模型,推导模型的迭代公式,采用非线性拟合方法拟合试验数据,得到损伤演化模型的相关参数;最后采用用户子程序技术建立疲劳损伤与单元刚度耦合算法进行有限元分析并将仿真结果与试验得到的疲劳寿命进行对比。结果表明:采用损伤-刚度耦合的仿真方法的分析结果与试验结果符合较好。     

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。     

船体结构冰载荷的时域反卷积识别算法及信号采样周期选取

冰载荷是影响冰区船舶安全的重要环境载荷,可造成船舶结构的严重损毁或疲劳破坏.基于时域反卷积算法的识别模型可较好地考虑冰载荷的动载荷效应,但冰激应变信号的采样周期对其计算稳定性和识别精度影响较大.利用Green核函数建立船体外板结构冰载荷识别的正问题,并采用Tikhonov正则化算子和广义交叉验证法提升其求解稳定性.结合动态载荷识别信号采样周期选取原则、实测冰载荷数据和外板结构自振特性确定信号采样周期.通过构造分析不同频率施加载荷和不同噪声水平信号干扰的工况以评估选取采样周期的适用性.结果表明,其识别载荷可以较为准确地反映施加载荷的时程特征,且载荷识别精度良好.     

LR推出冰区船结构疲劳评估新工具

该工具可用于评估冰区加强船舶的设计,以减少船体结构发生疲劳破损的风险。ShipRight FDA ICE评估程序检验内容包括船与冰之间相互作用产生的载荷、冰载荷冲击频率、冰载荷的分布、结构响应和低温下船体结构的疲劳特