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船舶在碎冰区航行的离散元模型及冰荷载分析

作　者: 李紫麟
导　师: 季顺迎
学　校: 大连理工大学
专　业: 固体力学
关键词: 海冰离散元船体结构数值模拟冰荷载
分类号: U661.4
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
下　载: 91次
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内容摘要

近年来,随着北极航道的初步开通以及寒区海洋油气资源的开发,冰区船舶航行的工程需求更加强烈。为考虑船舶在冰区航行时的航行操作性和结构安全性,需要对船舶结构的冰荷载及其影响因素进行深入研究。海冰与船舶相互作用是一个复杂的动力过程。一方面取决于海冰的类型、强度、速度等海冰参数,同时也与船舶外形、尺寸、刚度等结构参数以及航行方式密切相关。在冰区航行中,碎冰区的浮冰是船舶遇到的一种主要冰类型。在碎冰区要考虑海冰的形状、冰块大小和密集度。海冰对船舶的局部撞击和整体阻力是冰区船舶设计和航行中的两个重要问题。局部冰载荷是船体安全性能的重要因素,其对船体结构的损伤是船舶结构设计和安全航行的重要研究内容。海冰对船体局部压力作用形式复杂,通过冰池内的模型试验和现场测量统计分析海冰压力的尺度效应,并重点关注海冰对船体挤压中的高压区特征。船体的整体冰阻力与船舶的航运方式密切相关。在船舶锚泊、直行、转向和之字形等不同航行状态中,船体受到的整体阻力是不同的。为此,本文针对海冰与船体相互作用时的动力特性,建立海冰的离散单元模型,并通过室内模型试验检验模型的合理性和计算参数的准确性；采用三角形单元构造船体结构,建立海冰与船体结构相互作用的粘弹性接触模型,并由此确定海冰对船体结构的冰荷载；考虑海冰的尺寸、冰厚、密集度、强度、速度等海冰因素,船体外形、尺寸和刚度等结构参数,以及不同航速下的直航方式,采用离散单元模型确定不同参数条件下的船体冰力。通过研究海冰与船体结构相互作用的离散元模型,确定船体冰力的主要影响因素,为冰区船舶航行的安全运行提供有力的参数依据,为船体结构的抗冰设计提供相应的理论基础。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-9
1 绪论  9-22
  1.1 课题工程背景及研究意义  9
  1.2 国内外研究进展  9-10
  1.3 离散元方法研究概述  10-15
  1.4 海冰的离散元单元模型  15-17
  1.5 船体结构的冰荷载研究  17-19
  1.6 本文主要研究内容  19-22
2 海冰的离散单元模型  22-34
  2.1 海冰的物理力学性质  22-23
  2.2 碎冰区海冰单元的构造  23-25
  2.3 海冰单元间的接触判断  25-28
  2.4 海冰单元间的作用力计算  28-29
  2.5 海冰圆盘单元的浮力计算  29-31
  2.6 附加质量和拖曳力的计算  31-33
  2.7 本章小结  33-34
3 船体与海冰单元的作用模型  34-41
  3.1 冰区船舶简介  34
  3.2 船体结构的构造方法  34-37
  3.3 海冰单元与船体结构的接触判断  37-39
  3.4 海冰单元与船体结构的作用力的计算  39-40
  3.5 本章小结  40-41
4 船舶在碎冰区航行的离散元数值模拟  41-49
  4.1 船体结构冰荷载的离散元分析  41-45
  4.2 航速对船体冰载荷的影响  45-46
  4.3 海冰条件对船体冰载荷的影响  46-48
  4.4 本章小结  48-49
5 结论与展望  49-51
  5.1 本文主要工作和结论  49
  5.2 后继工作展望  49-51
参考文献  51-56
攻读硕士学位期间发表学术论文情况  56-57
致谢  57-58

船舶在碎冰区航行的离散元模型及冰荷载分析

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