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基于黏聚单元法的圆柱结构与层冰作用数值模拟

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中国造船 2022年第4期63卷 59-69页

作者：焦博阳杨碧野蒋昱妍孙哲张桂勇大连理工大学工业装备结构分析国家重点实验室船舶工程学院大连116024 高新船舶与深海开发装备协同创新中心上海200240

针对破碎海冰块体在水中所受的浮力和阻力,提出了一种基于LS-DYNA二次开发的水作用简化模型,模拟水对海冰的浮力和阻力,生成水作用求解器。采用黏聚单元法构建层冰数值模型,利用该求解器对圆柱与层冰的相互作用进行数值模拟。在此基础上... 详细信息

针对破碎海冰块体在水中所受的浮力和阻力,提出了一种基于LS-DYNA二次开发的水作用简化模型,模拟水对海冰的浮力和阻力,生成水作用求解器。采用黏聚单元法构建层冰数值模型,利用该求解器对圆柱与层冰的相互作用进行数值模拟。在此基础上,以圆柱直径、碰撞速度和海冰冰厚为变量,分析其对水平冰力的影响,并对不同速度下碎冰堆积力占水平冰力的比值进行统计。结果显示,用开发的水作用求解器模拟的破碎海冰漂浮堆积现象与试验比较符合,水平冰力与圆柱尺寸、圆柱碰撞速度和冰厚均成正相关,计算结果与规范公式吻合较好。随碰撞速度的增加,碎冰堆积力的占比增加,层冰破坏力依然为水平冰力的主要成分。

关键词：黏聚单元层冰碎冰堆积力二次开发

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层冰弯曲破坏的四边形块体离散单元模型研究

层冰弯曲破坏的四边形块体离散单元模型研究

作者：张凡哈尔滨工程大学

学位级别：硕士

层冰的弯曲破坏是极区层冰最主要的破坏方式之一,本文采用四边形离散单元模型对层冰-船艏相互作用过程和波浪作用下冰板弯曲断裂过程进行了研究。首先采用凸四边形重叠面积算法建立了四边形离散单元间的接触算法,以及基于网格搜索的邻... 详细信息

层冰的弯曲破坏是极区层冰最主要的破坏方式之一,本文采用四边形离散单元模型对层冰-船艏相互作用过程和波浪作用下冰板弯曲断裂过程进行了研究。首先采用凸四边形重叠面积算法建立了四边形离散单元间的接触算法,以及基于网格搜索的邻居检索算法。在四边形单元接触算法建立的基础上,引入具有黏结-破碎特性的离散元黏结模型模拟层冰的破坏过程,通过悬臂梁端部受载荷数值试验研究了离散单元数量对计算精度的敏感性。然后基于四边形单元黏结模型,对破冰船与层冰的相互作用过程进行了模拟,计算结果表明在与破冰船的作用过程中,层冰的破碎具有随机性,层冰的平均破碎长度会随着船舶航速的增大而减小,随着冰厚的增大而增大。船舶与层冰作用的冰力曲线呈现出较强的“脉动”特征,冰阻力随着冰厚、航速的增大而增大。最后建立了冰板与波浪的单向作用耦合模型,分析了浮冰板和一端固定的冰板在波浪作用下的断裂特性,重点讨论了冰板断裂的断裂波高及其影响因素。发现浮冰板断裂极限波高随着相对冰长的增加呈下降趋势。对于相对冰长小于1的浮冰,断裂极限波高随着相对冰长的增大而减小;相对冰长大于1时,浮冰块断裂极限波高随着相对冰长的增大略微增高;冰长比值等于1时,浮冰板的极限断裂波高最小,此时冰板最容易发生断裂。对于一端固定的冰板在波浪的作用下断裂的极限波高随着相对冰长的变化不明显。对于一端固定的浮冰板,在相同相对冰长条件下,极限断裂波高会随着冰厚的增大而增大。

关键词：层冰弯曲破坏四边形单元离散元法

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层冰弯曲破坏过程的模型试验和数值模拟研究

层冰弯曲破坏过程的模型试验和数值模拟研究

作者：雷建奇哈尔滨工程大学

学位级别：硕士

冰区海洋结构物常通过特定的外形设计使海冰在结构前发生弯曲破坏,以达到降低冰载荷的目的。对于层冰弯曲破坏过程的研究有助于揭示层冰在与结构物作用时的破坏规律,进而指导结构物抗冰设计。按载荷施加方向的不同,层冰的弯曲破坏通常... 详细信息

冰区海洋结构物常通过特定的外形设计使海冰在结构前发生弯曲破坏,以达到降低冰载荷的目的。对于层冰弯曲破坏过程的研究有助于揭示层冰在与结构物作用时的破坏规律,进而指导结构物抗冰设计。按载荷施加方向的不同,层冰的弯曲破坏通常有下压弯曲破坏模式与上顶弯曲破坏模式,本文通过模型试验与数值模拟手段研究这两种典型弯曲破坏模式。在层冰弯曲破坏的数值模拟方面,建立了模拟海冰破坏的离散元数值模型,模型中的球形单元采用随机排布方式,可在结构物尺度上模拟层冰的橫向各向同性特性。建立了基于海冰力学特性对离散元细观参数进行标定的建模方法,实现了对模型冰和天然海冰离散元模拟的全覆盖。在层冰弯曲破坏的模型试验方面,首先制备了冻结盐水模型冰,通过模型冰盖的原位悬臂梁试验,测得模型冰的弯曲强度值为49.4k Pa。通过“雪龙2”破冰船艏破冰模型试验,研究了层冰的下压弯曲破坏模式,分析了模型冰层厚度、船模速度对层冰破坏过程及船艏模型冰力的影响。通过球面上顶破冰模型试验,研究了层冰的上顶弯曲破坏模式,分析了球面曲率、冰层厚度、上顶速度对层冰破坏过程和球面所受冰力的影响规律。两种弯曲破坏模式下在冰厚大时层冰的弯曲断裂外延范围大、模型受力大,而速度的影响在不同弯曲破坏模式下有所区别;上顶弯曲破坏模式中球面曲率大时,层冰弯曲断裂外延范围大,而冰力的变化则相反。最后采用离散元方法对实尺度下“雪龙2”破冰船连续破冰过程与球面上顶破冰过程进行了模拟。船体破冰模拟结果表明层冰弯曲断裂外延范围、平均碎冰尺寸以及破冰阻力随冰厚增大而增大;弯曲断裂外延范围随速度增大而减小。球面上顶破冰模拟结果表明模拟中的层冰性质偏向于弹脆性,其弯曲断裂外延范围较模型试验时小;层冰破碎程度随球面曲率、上顶速度的增大而变高;离散元方法可对原型工况冰载荷进行准确预报。

关键词：层冰弯曲破坏模型试验离散元

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极地船舶层冰阻力及运动响应数值预报

船舶工程 2023年第12期45卷 46-50,74页

作者：仝哲宋明袁巍王嘉豪上海船舶设备研究所上海200031 江苏科技大学船舶与海洋工程学院江苏镇江212003

针对极地船舶在层冰中的直航运动,基于非线性有限元方法,考虑船体运动与冰阻力、螺旋桨净推力的实时耦合,建立了船舶与层冰相互作用的数值模型。以某破冰船为研究对象,对其艏部和艉部连续破冰的直航运动进行数值模拟,获得其不同航速下... 详细信息

针对极地船舶在层冰中的直航运动,基于非线性有限元方法,考虑船体运动与冰阻力、螺旋桨净推力的实时耦合,建立了船舶与层冰相互作用的数值模型。以某破冰船为研究对象,对其艏部和艉部连续破冰的直航运动进行数值模拟,获得其不同航速下冰阻力时程曲线和在层冰中航行的运动响应,并与模型试验结果进行对比,验证了本数值方法的准确性。

关键词：极地船舶运动响应冰阻力净推力层冰模型试验

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基于粘聚单元法的结构与层冰碰撞模拟

基于粘聚单元法的结构与层冰碰撞模拟

作者：焦博阳大连理工大学

学位级别：硕士

海面冰情和极地特殊严寒气候为极地航行和资源开采活动带来挑战。冰区结构物和极地船舶不可避免的与海冰发生碰撞,安全性受到威胁。在不同海冰形式中,层冰较为常见且危害较大。研究其破坏形式及所带来的冰阻力对结构物设计及安全性衡量... 详细信息

海面冰情和极地特殊严寒气候为极地航行和资源开采活动带来挑战。冰区结构物和极地船舶不可避免的与海冰发生碰撞,安全性受到威胁。在不同海冰形式中,层冰较为常见且危害较大。研究其破坏形式及所带来的冰阻力对结构物设计及安全性衡量具有重要意义。本文构建基于粘聚单元法的层冰模型,分别分析了桩柱和船舶结构与层冰的碰撞过程,探究了不同变量下层冰破坏现象及冰阻力规律,具体内容如下:修正并细化了流体简化作用计算方法,使模拟现象更加合理稳定。本文基于已有流体作用计算方法,将实体单元所受流体力融入至求解器中,实现浮力阻力效果。进一步加入螺旋桨流场计算模型,为双船破冰模拟提供了参考。针对粘聚单元众多参数,通过三点弯曲试验,详细探索了粘结刚度、最大牵引力及断裂能对应力曲线及弯曲强度的影响,获得了试样特性随参数变化规律,所得结论能够为调节过程带来有效的参考价值。基于粘聚单元法研究了圆柱、并排双桩及三桩结构与层冰碰撞过程。模拟了层冰破碎后的碎冰堆积滑移过程,利用试验数据和经验公式验证了数值模型的有效性。分析了不同冰厚和速度下层冰破碎堆积方式,发现随圆柱直径、冰厚和速度增加,水平冰力均变大,且碎冰堆积力占比随速度和冰厚增加而增大;引入非同时破坏系数和衰减系数对并排双桩及三桩结构破冰进行了研究,获得了桩距、冰攻角和以上两个系数之间的关系。基于粘聚单元法研究了船舶与层冰相互作用。模拟了不同航速下“雪龙”号破冰过程,通过经验公式和模拟数据对比验证了数值模型有效性,发现船冰碰撞涉及加载-断裂-卸载三个过程的重复出现,对应冰阻力峰值的脉冲状,层冰裂纹扩展呈现径向-环向-径向交叠模式。后续对双船破冰进行了研究,获得宽度比对后船冰阻力的影响,进一步加入螺旋桨流场模型,模拟得到螺旋桨作用下层冰断裂破坏现象及后船冰阻力随船间距的变化规律,分析结果可为船舶安全设计及跟船航行模式提供参考。

关键词：粘聚单元法层冰冰阻力二次开发海洋结构物

基于近场动力学理论的层冰弯曲破坏数值方法研究

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基于近场动力学理论的层冰弯曲破坏数值方法研究

作者：尚祖鑫哈尔滨工程大学

学位级别：硕士

随着全球气候变暖的趋势不断加剧,北极地区的海冰覆盖面积不断减少,导致北极地区的商业价值、能源储备以及军事价值日益凸显。然而,在北极地区运营的船舶和海洋结构物面临着海冰的威胁,其影响远远超过风、浪、流等环境载荷。此外,层冰... 详细信息

随着全球气候变暖的趋势不断加剧,北极地区的海冰覆盖面积不断减少,导致北极地区的商业价值、能源储备以及军事价值日益凸显。然而,在北极地区运营的船舶和海洋结构物面临着海冰的威胁,其影响远远超过风、浪、流等环境载荷。此外,层冰与海洋结构物作用时,层冰发生挤压破坏时的冰载荷远大于发生弯曲破坏的冰载荷。因此冰区海洋结构物通常采用特殊的结构设计,将海冰挤压破坏模式转变为弯曲破坏。因此深入研究层冰弯曲破坏对于提高结构物的安全性和降低建造成本具有积极意义。本文基于近场动力学理论,建立了考虑几何非线性的近场动力学二维板模型和数值方法,模拟层冰在弯曲破坏过程中的力学行为。首先,建立了近场动力学二维板模型的几何非线性变形关系。基于完全拉格朗日形式和增量法对近场动力学变量进行表达和计算,同时考虑位移变量的高阶项,最后在求解近场动力学材料参数时,计算连续介质力学体系下考虑几何非线性变形的应变能和体积应变,从而实现在近场动力学理论框架内对结构发生的几何非线性变形进行描述。然后,建立了基于近场动力学理论的二维板模型和数值方法。类比有限元的板壳单元,采用退化实体的方式,在Mindlin板理论的基础上建立具有6个自由度的近场动力学二维板模型和数值方法。基于所建立的二维板模型和数值方法,对不同约束和载荷作用下结构的变形和损伤进行模拟,将数值结果与有限元结果对比,验证了近场动力学二维板模型和数值方法的准确性和合理性。随后,建立了基于近场动力学微分算子模拟结构变形时的应力分布模型。引入近场动力学微分算子,将第二Piola-Kirchhoff应力的局部微分转化成非局部积分项,从而可以清晰地展现近场动力学二维板模型变形时的应力分布情况。最后,开展了球面上浮破冰模型试验和数值模拟研究。基于建立的二维板模型模拟球面上浮破冰过程中层冰弯曲破坏过程,分析层冰破坏过程与球面受到冰载荷的变化情况,结果表明:基于二维板模型的数值模拟结果与球面上浮破冰模型试验的现象和冰载荷的变化情况基本一致。然而由于数值模拟过程忽略了水对球面的作用,同时没有考虑到层冰的结构缺陷和复杂的材料属性,因此冰载荷的数值与试验结果存在差异,但是在数量级上保持一致。因此本文建立的近场动力学二维板模型和数值方法可以作为模型试验的补充和扩展。

关键词：近场动力学几何非线性层冰弯曲破坏数值模拟

基于黏聚单元法的抗冰海洋平台与层冰相互作用数值模拟

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海洋工程 2019年第2期37卷 20-28页

作者：刘路平李欣徐胜文吴骁上海交通大学海洋工程国家重点实验室上海200240 高新船舶与深海开发装备协同创新中心上海200240

通过商业有限元软件LS-DYNA采用黏聚单元法模拟层冰的断裂问题,在IIHR冰池模型试验相同缩尺比参数下对KULLUK抗冰平台受到的冰力进行数值计算,探究冰厚与冰速等冰况参数对平台冰力的影响。计算结果表明,在极地作业平台主要遭遇北极海域... 详细信息

通过商业有限元软件LS-DYNA采用黏聚单元法模拟层冰的断裂问题,在IIHR冰池模型试验相同缩尺比参数下对KULLUK抗冰平台受到的冰力进行数值计算,探究冰厚与冰速等冰况参数对平台冰力的影响。计算结果表明,在极地作业平台主要遭遇北极海域冰况范围下,相同冰厚情况时冰速变化对倒锥形结构平台的横向冰力影响不大,而同冰速时冰力随着冰厚的增加接近线性增加。同时将计算所得结果与同条件下IIHR冰池模型试验数据、ARCTEC、ACL非冻结模型冰试验数据、实船数据和通过ISO19906规范中提供的针对大锥面结构受到层冰冰力的经验公式计算所得数据等进行了对比,验证了选用冰参数的可靠性以及该数值模型在模拟大尺度宽锥形平台遭受层冰作用问题中的适用性。

关键词：抗冰平台层冰 LS-DYNA 黏聚单元法海冰参数

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二维离散方法破冰船层冰破冰阻力数值预报

舰船科学技术 2020年第9期42卷 42-48页

作者：葛媛张佳宁金强周陈炎张雷大连海事大学船舶与海洋工程学院辽宁大连116026 南通理工学院电气与能源工程学院江苏南通226000

在一定理想化假设的基础上,采用二维数值方法研究了层冰条件下连续破冰过程,应用层冰中压力与接触面积的关系,对时域内层冰破冰阻力问题进行求解。考虑二维数值方法忽略碎冰在船首处的运动,计算船首碎冰运动产生的浸没阻力,对理想状态... 详细信息

在一定理想化假设的基础上,采用二维数值方法研究了层冰条件下连续破冰过程,应用层冰中压力与接触面积的关系,对时域内层冰破冰阻力问题进行求解。考虑二维数值方法忽略碎冰在船首处的运动,计算船首碎冰运动产生的浸没阻力,对理想状态下的数值模拟结果进行修正,计算破冰阻力。运用Spencer算法、Lindqvist算法和Riska算法对冰阻力进行预报并与数值结果进行对比,并对不同船速及冰厚下的破冰力进行数值模拟。结果表明,考虑浸没阻力后的数值方法模拟结果更加准确可靠,且随船速及冰厚的增加,破冰力呈上升趋势,其中冰厚对破冰力的影响更加显著。

关键词：层冰数值模拟经验公式方法冰阻力

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冰区航行船层冰作用下的结构响应

舰船科学技术 2017年第6期39卷 33-37页

作者：金言胡嘉骏刘俊杰中国船舶科学研究中心江苏无锡214082

船冰碰撞是一个复杂的动力学过程,如何得到碰撞中的冰载荷一直是船舶碰撞研究领域的热点之一。本文分别建立300 000 t冰区航行船和层冰的有限元模型,基于弹塑性理论及非线性有限元理论,利用***对其碰撞进行数值仿真,模拟了船首及层冰的... 详细信息

船冰碰撞是一个复杂的动力学过程,如何得到碰撞中的冰载荷一直是船舶碰撞研究领域的热点之一。本文分别建立300 000 t冰区航行船和层冰的有限元模型,基于弹塑性理论及非线性有限元理论,利用***对其碰撞进行数值仿真,模拟了船首及层冰的接触碰撞过程,最终得到船冰碰撞过程中的碰撞力、船首结构响应、船航速变化及能量耗散等参数。分析船冰碰撞过程中的碰撞机理及特性,并对冰区航行船特别是其船壳提出结构加强的建议,为设计冰区航行船提供一定的参考。

关键词：层冰冰载荷非线性有限元结构响应