基于船-水-冰耦合技术的撞击参数对船冰碰撞性能的影响

以极地运输船舶的首部作为研究对象,建立基于流固耦合算法的船-水-冰耦合技术对三维船首与冰体碰撞的结构响应问题进行研究,成功解决了船体、冰体与流场、船体与冰体之间的耦合,考虑了碰撞过程中船体与冰体的同步损伤,并结合非线性有限元软件Ls-dyna对比分析了冰体质量、船冰碰撞角度等撞击参数的结构响应问题,分析了不同碰撞工况下船舶撞击冰体后损伤变形、碰撞力等方面的变化特征,对分析船舶与冰体碰撞的结构性能具有参考价值。     

船舶碰撞损伤影响因素研究综述

为减少船舶碰撞损伤的影响、增强船舶航行安全性、保护水面环境，船舶碰撞损伤影响因素受到关注。该文从撞击船首、被撞船舷结构以及两船的相对运动状态等3个方面对船舶碰撞损伤主要影响因素进行综述。从优化船首设计、增强船舷结构强度和驾驶船舶应急操作3个角度阐述减少船舶碰撞损伤的对策建议，指出其中存在的不足，并提出下一步船舶碰撞损伤研究展望：协调缓冲船首刚度与变形度、提高船舶耐撞性与增加船体结构质量，及应急操作与舵手能力不足之间的相互关系。     

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。     

基于钢-泡沫夹层结构的船与冰碰撞性能分析

运用非线性有限元基本理论,采用大型动态计算软件MSC.Dytran,建立了基于钢-泡沫夹层结构的船舶首部以及冰体的三维有限元计算模型,分析了碰撞力的大小、船首及内部结构的损伤变形和能量吸收等特性。为研究大型运输船舶船首结构与冰之间碰撞性能奠定基础。通过使用钢-泡沫夹层结构替换舷侧外板,在有效行程内降低了碰撞力和增加总体的能量吸收,提高了整体的碰撞性能。     

撞击参数对双层舷侧结构碰撞响应的影响

深入了解船体结构碰撞损伤特性和能量吸收机制是开展船舶耐撞性优化设计的前提。文章利用显式非线性有限元数值仿真技术对不同撞击条件下的双层舷侧结构碰撞响应进行了系列研究。研究结果表明：撞击位置、撞击角度和撞击速度的改变可能导致不同的碰撞损伤过程或结构损伤变形。     

水介质中船体板架模型与冰体碰撞试验研究

本文初步引入了对船冰碰撞过程中水介质存在作用的思考,来验证船-水-冰耦合碰撞数值仿真方法的合理性和可行性以及深入研究水介质中船体与冰体碰撞的结构响应问题。文中以某实船舷侧板架为研究对象,以缩尺比1:10加工模型,在水池中测得不同速度冰体撞击板架过程中板架结构各部位的应变值以及板架变形量;建立与模型试验相同的板架与冰体模型,进行数值仿真,将试验和仿真计算获得变形及应力峰值作对比,从而总结出不同撞击速度对船-水-冰耦合碰撞结果的影响规律。     

渔船与码头碰撞的仿真分析

利用Patran/Dytran有限元分析软件,建立了某渔船与码头碰撞的有限元模型,并模拟其碰撞全过程。通过对渔船与码头之间的碰撞力变化、能量转化、损伤变形以及等效应力等情况进行分析,得出了渔船与码头碰撞的一般规律和特点。针对碰撞中渔船船首构件的吸能损伤特性进行了研究,得出渔船船首构件的吸能与失效具有先后顺序,并且渔船船首外板是主要的吸能构件,从而为后期渔船船首结构的耐撞性设计与渔船的海损评估提供参考。     

双层立管在船舶撞击作用下结构行为分析

以船舶与立管碰撞为研究对象,采用三维有限元模拟碰撞过程,显式动力求解分析双层立管在侧向碰撞作用下的结构行为,得到碰撞过程中撞击力、结构响应、损伤变形等一般性规律,计算分析了边界约束条件、撞击质量、撞击速度、立管内压以及轴向预拉力参数的影响.结果表明,边界条件对于结构的固有频率、撞击力、结构损伤变形影响较大;撞击质量及速度是决定撞击力及变形的最主要的因素;内压的存在使得最大撞击力变小以及立管局部变形变小;在一定范围内的轴拉力越大,碰撞引起最大撞击力越大,整体变形反而变小.     

船首形状对舷侧结构碰撞性能的影响研究

船舶碰撞问题一直是船舶力学界研究的热点,但以往的研究并没有深入分析各类船舶的不同艏部形状对碰撞性能所产生的影响.为此利用数值仿真软件MSC/Dytran,对具有不同曲率的球鼻型船首和不同张角的常规船首撞击下舷侧结构的碰撞性能进行了定量的比较研究.结果表明,撞击船首部形状对被撞船舷侧结构的碰撞性能产生显著的影响,撞击船球鼻曲率形状参数越小或艏部张角越大,舷侧结构极限撞深提高,碰撞力增大,极限撞深时的吸能增多.     

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。     

舰艏结构的碰撞损伤性能研究

船舶碰撞事故往往会引起被撞船的船体结构严重损坏,并且威胁船上人员的生命安全.在船一船碰撞中被撞船的损伤程度取决于两个方面:一是舷侧结构的碰撞性能;二是撞击船艏结构的相对刚度.船舶的艏部结构刚度一般远远高于舷侧结构的刚度,在船舶碰撞研究时,通常将撞头理想化为刚体,不考虑其损伤变形和能量吸收,这样做实际上过于保守.本文针对舰船,主要研究舰艏结构的碰撞损伤特性,将撞击舰艏作为可变形结构进行数值仿真研究,得到了一些艏部变形的规律.     

撞击位置和初速度对被撞船舶舷侧结构的影响

通过ANSYS/LS-DYNA对船舯碰撞进行建模,重点研究撞击位置和初速度改变对被撞船舷侧结构的影响.经仿真计算,得到了碰撞力和吸能随碰撞船位移变化的曲线以及在极限撞深下舷侧结构的损伤状态.结果表明,碰撞船撞击位置和初速度的改变会对被撞船舷侧结构带来不同形式和程度的损伤变形.此外,还确定了船壳破损的临界速度,可为船舶设计部门提供理论依据.     

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。     

楔形首撞击下船体双壳结构的耐撞性研究

船舶遭受其他船船舶撞击会引起严重的后果,典型撞击船船首形式有球鼻首和楔形首,而目前对楔形首撞击下船体结构的耐撞性研究涉及较少。此外,双壳船体结构形式可提升船舶的碰撞安全性。因此,本文开展楔形首撞击下船体双壳结构的耐撞性研究。设计了双壳结构模型试件和楔形首撞头,开展了准静态压载试验。同时开展数值模拟,准确模拟了双壳结构完整损伤过程的撞击力-撞深曲线和最终破坏形式。研究结果表明:楔形首撞击下双壳结构外壳板和内壳板的损伤模式有区别;与内壳板相比,外壳板因撕裂作用能吸收更多的能量;外壳板与隔板间的耦合作用较小。本文研究成果可为船体双壳结构的耐撞性设计和评估提供技术支持。     

内河航道桥梁船撞时船体最大变形量研究

目前在桥梁船撞防护的专项设计或船撞力专题研究中,对船舶撞击力的研究和桥梁在船舶撞击作用下的响应关注较多,而对船体最大变形量的研究较少。基于ANSYSLS-DYNA软件,对4种不同载质量的内河代表船舶在3种航速、2种碰撞角度下撞击4种墩型的船撞工况进行数值模拟,提取船体最大变形量,并分析船体最大变形量与船舶载质量、撞击速度、桥墩类型及撞击角度的关联性,同时与经验公式做对比。研究结果表明,撞击速度及撞击角度是船体最大变形量的主要控制因素,桥墩类型与之关系不明显。     

船舶碰撞数值仿真的一种组合模型

根据船舶碰撞的运动滞后和局部损伤特性,采用附连水质量处理流体－结构耦合作用,用详细的有限元模型表达撞击船首和被撞船侧的直接涉撞区结构,而将非碰撞区的船体结构以具有相应质量分布和弯曲刚度的惯性等效模型来代表,并将之与碰撞区的局部模型适当地联接起来,形成一个组合模型用于碰撞仿真计算。该组合模型不仅建模工作量小,而且CPU时间也大大减小。算例表明,组合模型与流固耦合模型的分析结果具有良好的一致性,可以满足一般的工程精度要求。     

船舶碰撞数值仿真的一种组合模型

根据船舶碰撞的运动滞后和局部损伤特性,采用附连水质量处理流体-结构耦合作用,用详细的有限元模型表达撞击船首和被撞船侧的直接涉撞区结构,而将非碰撞区的船体结构以具有相应质量分布和弯曲刚度的惯性等效模型来代表,并将之与碰撞区的局部模型适当地联接起来,形成一个组合模型用于碰撞仿真计算.该组合模型不仅建模工作量小,而且CPU时间也大大减少.算例表明,组合模型与流固耦合模型的分析结果具有良好的一致性,可以满足一般的工程精度要求.     

船撞全直桩码头的损伤分析

采用集中参数模型和附加质量法分别考虑桩-土相互作用和动水压力作用,应用碰撞接触算法模拟船舶与码头碰撞效应,对全直桩码头进行了船舶撞击作用下的动力损伤分析。结果表明,考虑动水压力作用对船撞码头的碰撞力、码头位移和基桩损伤影响较小,基本可以忽略;考虑桩-土相互作用对船撞码头的位移和基桩损伤影响较大,不可忽略。同时分析了撞击位置、撞击角度和撞击速度对船撞码头结构损伤的影响。结果表明,撞击位置在码头边缘、撞击角度为90°(垂直于码头前沿)时对码头不利;撞击速度越大,码头破坏越严重。     

基于全耦合分析技术的折叠式夹层板船体结构碰撞性能研究

船舶碰撞事故往往会带来灾难性的后果,船舶碰撞性能以及耐撞结构设计方面的研究一直受到国内外学者的重视。本文基于全耦合数值仿真分析技术,以一多用途船舷侧结构为研究对象,设计出两种夹层板新式抗冲击舷侧结构,并对原结构和新式结构的碰撞性能进行比较。研究结果表明,新式舷侧结构发生损伤变形的区域较大,参与抵抗撞击的构件增多,损伤变形程度有所降低,且在总重量相当的条件下总吸能有大幅提高,可以有效缓解高能碰撞对结构的危害。     

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.