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.     

悬索桥静态弯曲力学性质的理论及实验比较研究

本文对单跨悬索桥在集中荷载、均布荷载作用下的静态弯曲力学性质进行解析理论、有限元计算和实验的比较研究。通过实验测量不同工况下的桥面挠度。论文使用Galerkin法求解了描述悬索桥的竖向弯曲运动的线性微分方程,得到静力作用下的近似解析解。之后,对比研究了有限元数值模拟、实验和近似解析解的数据。结果显示,近似解析解在整体趋势上和实验以及有限元的结果一致。     

船舶腐蚀断裂力学的一种数值计算方法

基于船体表面微裂缝在应力和海水腐蚀耦合作用下的扩展机理,根据Charles-Hillig模型用数值方法模拟了裂缝的动态扩展过程,并用front-tracking图形技术开发了有限元网格剖分软件,从根本上解决了以往该模型无法进行数值模拟的难题.文中侧重于对腐蚀断裂问题进行一般性的基础研究,探索裂缝扩展时的形态以及速度与外荷载之间的关系,数值计算表明,计算结果和实验得出的曲线在形态上比较吻合.     

钦州某油码头沉箱内力数值分析

利用有限元分析软件ANSYS,对沉箱重力式码头在船舶荷栽作用下的沉箱静态力学性能进行数值分析.通过对比分析文革勒地基模型法和半无限弹性体法的计算结果,认为壳单元与体单元采用MPC接触方法,土体以弹簧来模拟的计算模型能够满足设计要求,建模简单,计算快捷,可供设计时使用.同时数值分析表明,在船舶荷载和贮仓压力作用下,沉箱立板内侧的竖向弯矩最大值发生在立板与底板的连接处,有必要对重力式孤立墩在船舶荷载作用下的沉箱进行空间结构计算.     

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。     

基于LS-DYNA的半圆柱壳爆炸荷载下的能量反应

半圆柱壳结构在体育馆、大型机场等大场景结构上应用广泛.为了研究半圆柱形钢壳在爆炸荷载作用下的总能量响应,使用有限元软件LS-DYNA建立在爆炸荷载下半圆柱壳的数值计算模型,采用理论分析和数值模拟相结合的方法进行推导验证,并在此基础上研究壳体厚度对结构能量的影响规律.结果表明:爆炸产生的总能量与壳体厚度成反比;与壳半径上的表示坐标之比所对应的反正切函数成正比.为了验证理论推导的正确性,对理论计算结果进行多次数值模拟验证,所得结果基本相符合.其计算模型可用于半圆柱钢壳的爆炸能量分析,对同类型壳体爆炸能量分析具有一定的参考价值.     

寒区宽大结构局部冰荷载特征研究

为了明确寒区直立宽大结构局部冰荷载的分布特征,本文首先通过海冰单轴压缩实验研究了不同尺寸海冰的压缩强度变化规律.其次,对比目前已有的局部冰荷载计算方法,发现差异性较大;基于离散元数值模拟,对不同海冰条件下多种尺度的结构进行了分析,发现局部冰压力沿冰厚方向呈现出中心较大而两端较小的分布特征,沿结构宽度方向呈现出无规律的随机分布特征,局部冰压力随着接触面积的增大而减小,两者成指数关系.最后,构建了宽大结构局部冰压计算公式,并结合现场测量的冰荷载数据验证其合理性.     

破冰船连续破冰的冰阻力预报

[目的]为了准确评估破冰船在平整冰区航行时连续破冰过程中所受的冰阻力,同时了解不同预报方法的特点,采用经验公式法、数值模拟法以及船模试验法,对破冰船在平整冰中连续航行时的冰阻力进行预报。[方法]使用非线性有限元软件DYNA,分别基于传统有限元与黏聚单元法构造冰层数值模拟模型,模拟平整冰与破冰船相互作用时发生的弯曲断裂以及相互作用的过程。同时,采用经验公式法,用3种不同的经验公式进行冰阻力计算,对影响经验公式法预报结果的参数进行敏感性分析。[结果]研究发现:冰阻力随航速、冰厚度以及弯曲强度的增大呈上升趋势,其中冰厚对冰阻力的影响最大。3种经验公式中,Lindqvist公式的预报结果与船模试验结果更为接近,而Vance和Lewis公式更为保守。传统有限元与黏聚单元法在冰厚较小的情况下,冰阻力预报结果更准确,冰厚较大时误差较大,约25%。在冰厚较小航速较高的情况下,黏聚单元法预报的冰阻力值较传统有限元方法更为准确,与船模试验结果相比精度误差在10%以内。[结论]在实际的冰阻力预报中,可结合经验公式法与数值模拟法,兼顾预报结果的准确性与高效性。     

基于FEM/SPH耦合方法的极地运输船舶冰阻力预报研究

冰阻力是极地运输船舶动力需求分析和船型优化设计阶段的重要参考指标.本文基于有限元理论,采用粘聚单元法构建海冰数值模型,开展冰样单轴压缩和三点弯曲试验过程模拟,验证了该模型满足海冰数值计算的要求.在此基础上,以某极地运输船舶为研究对象,采用有限元/光滑粒子流体动力学耦合算法,通过罚函数接触算法传递有限元网格与水粒子之间接触状态和作用力,考虑船舶破冰过程中船/冰/水耦合作用,模拟破冰过程裂纹产生和扩展、冰块翻转与滑移等现象,并进行了冰阻力预报.     

冰区航行船舶冰阻力数值研究进展

冰阻力是影响船舶在冰区航行性能的关键因素。当前主要的冰阻力研究方法有经验公式法、模型/实船试验法和数值模拟方法。数值模拟方式能够对船舶破冰的全过程进行快速模拟,且模拟成本低,参数易于控制 、结果较为准确,是一种比较适宜的冰阻力预报方法。随着计算技术的进步,各种数值模拟方法层出不穷,其中包括基于网格单元的有限元模型,基于无网格方法的离散元模型、SPH法、近场动力学模型等;近年来,网格模型与无网格模型的耦合方法也逐渐发展起来。文章简要梳理了冰区航行船舶冰阻力数值研究的进展,并基于研究现状提出尚需进一步解决的问题,意在为进一步提高冰阻力数值模拟精度提供参考。