冰碰撞下的船体结构动态响应分析(附件)【字数：17278】
随着近年来全球气温的不断上升，冰川融化加剧，极地冰区很有可能实现通航。另外，由于两极地区蕴藏着极其丰富的油气资源，人类也会加大对极地资源的开发探索。然而，无论是航道开辟还是油气开采，人类必须考虑船冰碰撞问题。船冰碰撞不仅会影响船舶的操纵性，降低货物的运输率，还会危及驾驶员及乘客的安全。如何有效避免碰撞造成的损伤程度，保证乘员人身安全，是船冰碰撞领域目前研究的热门话题。船冰碰撞过程是一个短时间非线性动态响应过程，很多因素都会对其造成影响。船冰碰撞过程会发生变形甚至失效。因此，研究两者之间的相互作用对船舶在冰区的航行有很大作用。本文对船冰碰撞的研究，在一定程度上能够使驾驶员了解船舶在冰区航行的操纵性。且通过软件LS-DYNA模拟船冰碰撞过程，对冰区船舶的开发研究起到一定的推动作用。本文回顾了船冰碰撞的历史事件，以此阐述本文的研究意义。然后简要介绍有限元分析软件，包括其发展历程和基本理论。借助软件LS-DYNA进行相关的建模、运算和仿真。通过改变碰撞条件，包括碰撞位置和速度，进行相关求解及仿真，并对各种碰撞结果进行分析和讨论。关键词冰-加筋板碰撞；冰-船碰撞；Von Mises 应力；碰撞力；变形曲线
Keywords: Ice stiffened plate collision；Ice ship collision；Von Mises stress；Collision force；Deformation curve 目 录
第一章 绪论 1
1.1研究背景及意义 1
1.2国内外研究现状 2
1.3本文的主要研究内容 3
第二章 有限元基本理论 4
2.1有限元软件的发展历程 4
2.2 LSDYNA理论基础 5
2.2.1 碰撞的积分算法 5
2.2.2沙漏理论 6
2.2.3 碰撞的非线性问题 7
2.2.4接触理论 7
2.2.5 LSDYNA对时间步的控制 9
2.3 本章小结 9
第三章 冰柱碰撞下的加筋板响应研究 10
3.1材料参数设置 10
3.2 撞击位置对冰加筋板碰撞的数值仿真 13
3.2.1 碰撞位置 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072^
工况设计 13
3.2.2 碰撞结果分析与讨论 16
3.3 撞击速度对冰加筋板碰撞的数值仿真 21
3.3.1 碰撞速度工况设计 21
3.3.2 碰撞结果分析与讨论 24
3.4 本章小结 29
第四章 船冰碰撞响应研究 30
引言 30
4.1 船冰模型建立 30
4.1.1 冰体形状 30
4.1.2 船舶舱段模型 31
4.2 碰撞速度工况设计 34
4.3 撞击速度对船冰碰撞的数值仿真 35
4.3.1 船舶应力 35
4.3.2 碰撞力 36
4.3.3 冰船变形 38
4.4 本章小结 39
结论与展望 40
致谢 42
参考文献 43
第一章 绪论
1.1 研究背景及意义
随着人类工业化的不断发展，二氧化碳的排放量日益增加，导致全球气温升高，随之，冰川融化的现象也发生的愈加频繁。近年来，随着陆地资源的日趋枯竭，人类把视线逐渐移向海洋，船舶在海上航行时的安全性受到广泛关注。在全球的海洋中，海冰分布面积高达3770万平方千米，占地球表面的7.3%[1]。因此，在海冰严重的海域，海冰已被视为船舶设计和海洋工程的控制因素。
漂浮在海面上的海冰，在风、流的作用下产生运动，海冰运动时的推力和撞击力都是巨大的。根据位于我国渤海湾的新"海二井"海洋平台在1971年观测的结果计算出，一块长宽为6公里，高度为1.5米的方形冰体，在流速正常时，它的推力高达四千吨，能够推倒海洋平台等建筑物。1912年4月发生的“泰坦尼克”号客轮撞击冰山事件，船的右舷和冰山底部相撞后发生激烈摩擦，使右舷前部吃水线下铆钉断裂，全部货舱及六号锅炉房开始迅速涌入海水，受影响范围将近百米，船上2000多名船员和乘客中，只有705人生还，是上个世纪海冰造成的最大灾难之一[2]。“泰坦尼克”号事件示意图如图11所示。
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图11 “泰坦尼克”号事件示意图
Fig.11 Titanic Disaster
“泰坦尼克”号沉没事件以来，各国采用高科技手段加强对海冰的监测，此方法有效避免大型海冰与船舶的碰撞，但由于全球变暖趋势更加明显，小型海冰与浮冰逐渐增多，仍给船舶航行带来极大的潜在威胁，并且小型海冰与浮冰的监测很难做到提前知晓，因此，海冰与船舶碰撞事件时有发生。
在1969年渤海特大冰封期间，漂浮的海冰摧毁了由15根直径为0．85米、长为41米、打入海底28米处的空心圆筒钢结构的“海二井”海洋石油钻井平台。除此之外，重约500吨的“海一井”平台支座的所有拉筋都被海冰割断[3]，由此可见，海冰巨大的破坏力给船舶以及海洋建筑物带来极其严重的后果。
为有效预防船冰碰撞，除了对海冰运动状况的实时监测之外，还应加强船舶的结构强度，保证船体具有一定的韧性，尽量减少事故的发生，保证船员及乘客的人身安全。因此，对于船舶在冰区航行时冰对船体结构的碰撞具有重要的研究意义。本论文在一定的理论研究基础上，模拟冰与船用加筋板以及冰与船舶舱段的碰撞过程，并进行相关的计算仿真，为船舶在冰区航行的应用提供参考。
1.2 国内外研究现状
海冰对结构的作用力，一方面与它的整体动量有关，另一方面与海冰的力学性能有关。国内外学者对海冰的力学性能进行了大量的实验研究，通过实地观察海冰的破坏形式、在实验室进行冰体撞击、压缩等试验，以及测量冰力数据等，积累了可靠的力学数据。在此基础上，提出了海冰的本构模型，确定其力学参数。
近些年来，随着有限元技术的日益完善，大量非线性有限元软件的使用日趋成熟，LSDYNA软件也被L?set和Kvamsdal[4]第一次用于船冰碰撞中。有些学者甚至还对基于非线性有限元软件的海冰材料模型进行了模拟。关于冰的研究大致分为两个部分：海冰本身力学性能的研究及船冰相互作用的研究。近几年来，人类加深对极地油气资源的探索，因此，船冰碰撞问题受到越来越多的关注。由于我国对船冰碰撞领域的研究较晚，对船冰碰撞的研究成果较少，而国外对船冰碰撞的研究则较为丰富，尤其是环北极的一些国家。
Keywords: Ice stiffened plate collision；Ice ship collision；Von Mises stress；Collision force；Deformation curve 目 录
第一章 绪论 1
1.1研究背景及意义 1
1.2国内外研究现状 2
1.3本文的主要研究内容 3
第二章 有限元基本理论 4
2.1有限元软件的发展历程 4
2.2 LSDYNA理论基础 5
2.2.1 碰撞的积分算法 5
2.2.2沙漏理论 6
2.2.3 碰撞的非线性问题 7
2.2.4接触理论 7
2.2.5 LSDYNA对时间步的控制 9
2.3 本章小结 9
第三章 冰柱碰撞下的加筋板响应研究 10
3.1材料参数设置 10
3.2 撞击位置对冰加筋板碰撞的数值仿真 13
3.2.1 碰撞位置 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072^
工况设计 13
3.2.2 碰撞结果分析与讨论 16
3.3 撞击速度对冰加筋板碰撞的数值仿真 21
3.3.1 碰撞速度工况设计 21
3.3.2 碰撞结果分析与讨论 24
3.4 本章小结 29
第四章 船冰碰撞响应研究 30
引言 30
4.1 船冰模型建立 30
4.1.1 冰体形状 30
4.1.2 船舶舱段模型 31
4.2 碰撞速度工况设计 34
4.3 撞击速度对船冰碰撞的数值仿真 35
4.3.1 船舶应力 35
4.3.2 碰撞力 36
4.3.3 冰船变形 38
4.4 本章小结 39
结论与展望 40
致谢 42
参考文献 43
第一章 绪论
1.1 研究背景及意义
随着人类工业化的不断发展，二氧化碳的排放量日益增加，导致全球气温升高，随之，冰川融化的现象也发生的愈加频繁。近年来，随着陆地资源的日趋枯竭，人类把视线逐渐移向海洋，船舶在海上航行时的安全性受到广泛关注。在全球的海洋中，海冰分布面积高达3770万平方千米，占地球表面的7.3%[1]。因此，在海冰严重的海域，海冰已被视为船舶设计和海洋工程的控制因素。
漂浮在海面上的海冰，在风、流的作用下产生运动，海冰运动时的推力和撞击力都是巨大的。根据位于我国渤海湾的新"海二井"海洋平台在1971年观测的结果计算出，一块长宽为6公里，高度为1.5米的方形冰体，在流速正常时，它的推力高达四千吨，能够推倒海洋平台等建筑物。1912年4月发生的“泰坦尼克”号客轮撞击冰山事件，船的右舷和冰山底部相撞后发生激烈摩擦，使右舷前部吃水线下铆钉断裂，全部货舱及六号锅炉房开始迅速涌入海水，受影响范围将近百米，船上2000多名船员和乘客中，只有705人生还，是上个世纪海冰造成的最大灾难之一[2]。“泰坦尼克”号事件示意图如图11所示。
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图11 “泰坦尼克”号事件示意图
Fig.11 Titanic Disaster
“泰坦尼克”号沉没事件以来，各国采用高科技手段加强对海冰的监测，此方法有效避免大型海冰与船舶的碰撞，但由于全球变暖趋势更加明显，小型海冰与浮冰逐渐增多，仍给船舶航行带来极大的潜在威胁，并且小型海冰与浮冰的监测很难做到提前知晓，因此，海冰与船舶碰撞事件时有发生。
在1969年渤海特大冰封期间，漂浮的海冰摧毁了由15根直径为0．85米、长为41米、打入海底28米处的空心圆筒钢结构的“海二井”海洋石油钻井平台。除此之外，重约500吨的“海一井”平台支座的所有拉筋都被海冰割断[3]，由此可见，海冰巨大的破坏力给船舶以及海洋建筑物带来极其严重的后果。
为有效预防船冰碰撞，除了对海冰运动状况的实时监测之外，还应加强船舶的结构强度，保证船体具有一定的韧性，尽量减少事故的发生，保证船员及乘客的人身安全。因此，对于船舶在冰区航行时冰对船体结构的碰撞具有重要的研究意义。本论文在一定的理论研究基础上，模拟冰与船用加筋板以及冰与船舶舱段的碰撞过程，并进行相关的计算仿真，为船舶在冰区航行的应用提供参考。
1.2 国内外研究现状
海冰对结构的作用力，一方面与它的整体动量有关，另一方面与海冰的力学性能有关。国内外学者对海冰的力学性能进行了大量的实验研究，通过实地观察海冰的破坏形式、在实验室进行冰体撞击、压缩等试验，以及测量冰力数据等，积累了可靠的力学数据。在此基础上，提出了海冰的本构模型，确定其力学参数。
近些年来，随着有限元技术的日益完善，大量非线性有限元软件的使用日趋成熟，LSDYNA软件也被L?set和Kvamsdal[4]第一次用于船冰碰撞中。有些学者甚至还对基于非线性有限元软件的海冰材料模型进行了模拟。关于冰的研究大致分为两个部分：海冰本身力学性能的研究及船冰相互作用的研究。近几年来，人类加深对极地油气资源的探索，因此，船冰碰撞问题受到越来越多的关注。由于我国对船冰碰撞领域的研究较晚，对船冰碰撞的研究成果较少，而国外对船冰碰撞的研究则较为丰富，尤其是环北极的一些国家。
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