冰撞载荷作用下船体结构抗冲击设计研究

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1、学校代码：10289分类号：U663.2密级：公开学号：122010007江苏科技大学硕士学位论文冰撞载荷作用下船体结构抗冲击设计研究研究生姓名陈聪导师姓名张健申请学位类别工学硕士学位授予单位江苏科技大学学科专业船舶与海洋结构物设计制造论文提交日期2014年12月30日研究方向船舶与海洋结构物结构性能论文答辩日期2015年3月20日答辩委员会主席顾学康评阅人2015年3月20日I分类号：U663.2密级：公开学号：122010007工学硕士学位论文冰撞载荷作用下船体结构抗冲击设计研究学生姓名陈聪指导教师张健江苏科技大学二O一五年三月IIAThesisSubmittedinFulfillm

2、entoftheRequirementsfortheDegreeofMasterofEngineeringResearchonImpactResistanceDesignofHullStructureunderCollisionLoadofIceSubmittedbyChenCongSupervisedbyZhangJianJiangsuUniversityofScienceandTechnologyMarch,2015III江苏科技大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个

3、人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：年月日IV江苏科技大学学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于：(1)保密□，在年解密后适用本授权书。(2)不保密□。学位论文作者签名：指导教师签名：年月日年月日V摘要

4、随着全球气候的变暖，北极地区冰面正以每10年9％左右的速度消失，北极资源开发正趋于可行。北极地区蕴藏着丰富的石油、天然气、矿物和渔业资源。因此，开发北极资源正受到世界各国，尤其是沿海国家的广泛关注和高度重视。然而，船舶在高纬度海域航行，将会不可避免地与各种形状的冰体发生碰撞。一旦船只与冰体发生碰撞，极有可能损坏船体、引起货物泄露和环境污染，甚至造成重大人员伤亡。为了能够大规模有效开发世界范围内的结冰海域油气资源，必须解决海冰灾害引起的各种问题。基于上述原因，本文开展了冰撞载荷作用下船体结构抗冲击设计研究。首先，研究船—冰碰撞有限元仿真技术，建立了适用于有限元仿真的冰体材料参数；其次，根据

5、冰级规范进行冰区结构加强，设计了横向和纵向两种加强方式，并与传统未加强结构进行比较，突出冰区结构加强的重要性和横向加强方式的优越性；然后，在规范加强的基础上，进行船舶结构冰区加强方案研究，进一步研究单一构件强度的增加对整体结构影响的规律性；最后，设计了两种新型夹芯抗冲击肩部结构，并与传统肩部结构作比较，对比分析不同结构的抗冲击性能，得出一种较优的新型抗冰载荷冲击肩部结构形式。主要工作如下：（1）基于弹塑性力学理论及非线性有限元软件LS-DYNA，研究了船—冰碰撞的材料模型。以典型成品油船为例对船体结构有限元仿真技术进行详细阐述，包括船体结构简化、网格划分、接触定义等建模过程；建立了适用于

6、有限元仿真的冰体材料参数。最后，参考前人的研究成果，验证了本文所确定的冰体材料模型及仿真方法的可行性。（2）以一艘成品油船为例，应用前处理软件PATRAN建立了全船、冰体的有限元模型，通过非线性有限元软件LS-DYNA，分别模拟未进行肩部加强船舶与冰体发生碰撞以及肩部采取横向和纵向两种不同加强方式的船舶与冰体碰撞。对比研究了不同碰撞方案下船体结构响应的异同，揭示了现有的冰区加强规范的可行性与横向、纵向两种加强方式的差异。（3）在按冰级规范进行冰区加强的基础上，进一步研究了单一构件强度的增加对整体结构影响的规律性。选取经横骨架式加强后的油船为研究对象，在其他因素不变的前提下，对比分析了不同

7、外板厚度、不同横隔板厚度以及不同肋骨间距下船体结构响应的差异。揭示了碰撞区域的损伤变形、碰撞力、结构吸能随外板厚度、横隔板厚度、肋骨间距的变化而变化的规律，获得船舶肩部各主要构件对于抵抗冰载荷作用的能力及贡献。（4）将夹层板应用于肩部结构，设计出I型、V型两种新型抗冲击结构形式。基VI于非线性有限元软件LS-DYNA，对比分析了传统加强结构、I型夹层板结构、V型夹层板结构的船舶肩部与冰体碰撞的结构的动态响应，揭示了不同方案下船舶的损