基于非线性有限元方法的船舶—冰层碰撞数值研究

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1、上海交通大学硕士学位论文基于非线性有限元方法的船舶-冰层碰撞数值研究硕士研究生：王健伟学号：1120109132导师：邹早建教授申请学位：工学硕士学科：船舶与海洋工程所在单位：船舶海洋与建筑工程学院答辩日期：2015年1月授予学位单位：上海交通大学DissertationSubmittedtoShanghaiJiaoTongUniversityfortheDegreeofMasterNUMERICALSTUDYONSHIPCOLLISIONWITHLEVELICEBASEDONNONLINEARFINITEELEMENTMETHODCa

2、ndidate：WangJianweiStudentID:1120109132Supervisor：Prof.ZouZaojianAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringNavalArchitecture&OceanSpeciality：EngineeringSchoolofNavalArchitecture,Affiliation：OceanandCivilEngineeringDateofDefence：January,2015Degree-Conferring-Institution

3、：ShanghaiJiaoTongUniversity上海交通大学硕士学位论文摘要基于非线性有限元方法的船舶-冰层碰撞数值研究摘要随着全球平均气温的升高，北极地区冰层融化速度加快，北极海洋运输及石油、天然气等能源开采成为可能，使得北极运输和能源开发利用成为当前的一个热点问题。适用于北极航行的船舶对于北极运输和能源开发具有非常重要的意义；然而，船舶在极地航行时不可避免地会与海冰发生碰撞，而目前对于船-冰碰撞机理的研究尚不充分。因此，迫切需要开展对极地船舶船-冰碰撞时的冰载荷预报研究。研究船舶冰载荷的方法有很多，如试验方法、数值方法、经验方

4、法等。在这些常用方法中，数值方法中的有限元法在碰撞领域得到了广泛应用并且经过了大量的验证。本文应用基于非线性显式有限元方法的商业软件LS-DYNA对船-冰碰撞的动态结构响应进行研究，得到了船和冰的变形损伤、船体所受冰力以及船、冰的能量变化等相关数据，并从这些数据中获得了一些有意义的结论。首先，介绍了国内外有关船舶冰载荷预报的方法和文献资料，包括试验方法、数值方法和经验方法的研究成果及研究动态。其次，总结了运用有限元法求解碰撞问题的基本理论及关键技术，介绍了非线性显式有限元方法的发展历程和商业软件LS-DYNA的基本功能，阐述了本文所用到

5、的三维网格算法，即Lagrange方法和ALE方法及其控制方程，介绍了动力学控制方程和求解方法、显式积分的时间步控制方法、接触-碰撞问题的计算方法，讨论了本文所用材料的屈服条件。再次，运用LS-DYNA软件数值模拟了冰锥的挤压试验，冰材料模型选取各向同性弹塑性断裂模型。通过改变冰体试样的应变率和尺I上海交通大学硕士学位论文摘要寸等条件，将得到的数值计算结果与试验结果进行比较后，发现计算值的增长趋势与试验值保持一致，并且在一定程度上二者吻合较好。说明本文所选用的冰材料可以用于船-冰碰撞的数值模拟。此外，通过建立某散货船与冰层的三维有限元模

6、型，模拟了船舶以一定初速度正面撞击无限冰区冰层的情形，得到了船舶和冰层的变形损伤、能量变化以及船舶所受冰力等相关数据。分析了船舶初速度和冰层厚度对船-冰碰撞冰载荷的影响，研究结果对分析船舶与冰体碰撞的结构性能具有一定的参考价值。最后，通过建立某破冰船与冰层的三维有限元模型，结合流固耦合的方法，分析了破冰船连续式破冰所受冰力和冰层的能量变化等特性，得到了船舶速度和冰层厚度等因素对船舶破冰过程的影响。并对比了楔形船艏和勺形船艏在破冰过程中的相关数据，对破冰船型线设计给出了合理化建议。关键词：船-冰碰撞；结构响应；非线性有限元法；数值模拟II

7、上海交通大学硕士学位论文ABSTRACTNUMERICALSTUDYONSHIPCOLLISIONWITHLEVELICEBASEDONNONLINEARFINITEELEMENTMETHODABSTRACTDuetotherisingglobalaveragetemperature,themeltingspeedoficeinArcticregionhasbeenaccelerating,Arcticoceantransportation,oilandgasexplorationhavebecomepossible,whichmake

8、soceantransportation,energydevelopmentandutilizationinArcticregioncurrentlyahotissue.Shipswhicharesuita