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破冰船破冰载荷与破冰能力计算方法研究

作　者: 何菲菲
导　师: 李辉
学　校: 哈尔滨工程大学
专　业: 船舶与海洋结构物设计制造
关键词: 破冰船破冰载荷连续破冰能力运动响应有限元数值仿真
分类号: U674.21
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

近年来,随着寒冷地带海洋石油资源的开发和极地科学考察的不断发展,破冰船肩负起开辟航道、极地救援、物资供给等重要任务。因此设计性能优越的破冰船越来越受到人们的关注。由于海冰特性的复杂性和破冰船作业环境的特殊性,导致关于破冰船方面的理论研究进展缓慢,各国学者大都采用由实验得到的经验公式预报破冰船的运动和载荷。因此,人们越来越希望从理论上建立一套预报破冰船受到的冰载荷、船体运动响应以及破冰能力的方法。基于上述背景,本文分别采用理论和数值仿真方法对以上问题进行了研究,主要研究工作如下：1、在总结海冰的物理力学特性,分析海冰与破冰船相互作用的形式和破坏模式的基础上,根据弹性力学理论,建立了一种适合于工程计算的破冰载荷的理论方法。2、考虑“连续式”破冰法下破冰载荷随时间的变化规律,建立破冰船三自由度运动方程,在时域范围内求解该方程得到破冰船的运动响应和破冰能力。3、基于显式非线性有限元法的基本理论和关键技术,探索破冰船冲撞冰层的有限元数值仿真方法。

全文目录

摘要  5-6
ABSTRACT  6-10
第1章绪论  10-18
  1.1 课题背景及研究意义  10
  1.2 课题的国内外研究现状  10-17
    1.2.1 破冰船简介  10-13
    1.2.2 海冰对结构物作用力的计算方法  13-17
  1.3 课题的研究内容  17-18
第2章破冰载荷理论计算方法研究  18-32
  2.1 概述  18
  2.2 海冰特性综述  18-22
    2.2.1 海冰的物理性质  18-20
    2.2.2 海冰的力学性质  20-22
  2.3 破冰载荷的理论计算  22-28
    2.3.1 冰弯曲破坏的两种形式  22
    2.3.2 计算模型  22-23
    2.3.3 计算方法  23-28
  2.4 破冰载荷的分析及比较  28-31
    2.4.1 分析  28-29
    2.4.2 与经验公式对比  29-31
  2.5 本章小结  31-32
第3章破冰船破冰能力与运动响应计算  32-51
  3.1 概述  32
  3.2 "连续式"破冰法原理  32
  3.3 破冰船运动分析  32-34
    3.3.1 基本假设  32
    3.3.2 坐标系  32-33
    3.3.3 运动方程  33-34
  3.4 破冰船受力分析  34-41
    3.4.1 破冰船受到的冰阻力  34-36
    3.4.2 破冰船的推力  36-37
    3.4.3 破冰船的阻力  37-39
    3.4.4 破冰船受到的垂向流体力和力矩  39-41
  3.5 破冰能力计算方程  41-42
  3.6 纵向运动响应计算方程  42-44
  3.7 方程的解法  44
  3.8 算例  44-49
    3.8.1 方程中参数的计算  45-47
    3.8.2 算例结果分析  47-49
  3.9 本章小结  49-51
第4章破冰船冲撞冰层有限元数值仿真方法初探  51-71
  4.1 概述  51
  4.2 非线性有限元程序MSC.Dytran简介  51
  4.3 有限元数值仿真方法的基本理论  51-54
    4.3.1 显式动力分析的一般流程  51-52
    4.3.2 运动方程  52
    4.3.3 求解方法  52-54
  4.4 破冰船冲撞冰层有限元数值仿真关键技术  54-61
    4.4.1 算法的选择  54-55
    4.4.2 模型的建立  55-58
    4.4.3 材料属性  58-60
    4.4.4 接触的定义  60-61
    4.4.5 模型的检查  61
  4.5 破冰船冲撞冰层有限元数值仿真结果分析  61-69
    4.5.1 数值仿真的输出结果  61-62
    4.5.2 冰层破裂变形过程  62-64
    4.5.3 接触冰力结果分析  64-65
    4.5.4 船体局部结构强度评估  65-66
    4.5.5 不同撞击速度下的仿真结果分析  66-69
  4.6 本章小结  69-71
结论  71-73
参考文献  73-77
攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果  77-78
致谢  78-79
附录  79-85
  附录A 爱尔法阻力计算所需图表  79-83
  附录B 破冰船纵向运动响应图谱  83-85

破冰船破冰载荷与破冰能力计算方法研究

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