基于物理模型试验的船冰碰撞损伤辨识研究

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1、基于物理模型试验的船冰碰撞损伤辨识研究Studyondamageidentificationofship-iceimpactbasedonmodeltest工程领域：船舶与海洋工程作者姓名：郭晓辉指导教师：黄焱教授企业导师：张晓高级工程师天津大学建筑工程学院2017年11月摘要船-冰碰撞是极地船舶船体外板强度设计中的控制载荷情形。为了满足极地船型要求的抗冰等级和与之相匹配的船体结构强度，基于规范设计往往是极地船舶结构设计的主要方法。然而，现行极地船级规范中对于船-冰碰撞载荷的描述仅以作用在特定区域上的静态均布压力来

2、表征，缺乏对船-冰碰撞载荷非线性时空演变过程的刻画。为了细致探究船-冰碰撞过程中的载荷变化特征以及在非线性载荷作用下的船体结构损伤行为，本文采用模型试验与数值模拟相结合的手段，对船-冰碰撞过程进行了详细的研究。本文首先以某极地船舶为原型在冰水池中开展船-冰碰撞模型试验，并分别对试验操作方法、船-冰撞击位置、浮冰质量与边缘尺寸进行率定。同时，依据对船-冰碰撞过程的解析，针对试验模拟提出了5项检验准则，即过程完整性、过程合理性、测试连续性、分析示踪性以及评估结果应用性，最终确定了船-冰碰撞试验的标准试验方法和碰撞载荷分

3、析流程。然后，在进行多组次试验的基础上，根据试验结果分析了船-冰碰撞载荷的时空演变历程。最终，根据试验得到的船-冰碰撞载荷非线性特征，建立了与之相吻合的概化冰力函数，并将其作为后续船体损伤行为数值模拟的载荷输入。在此基础上，采用非线性有限元数值分析方法，即通过ANSYS建立船体局部板梁结构模型，并考虑材料非线性，研究分析了基于非线性概化冰力函数的碰撞载荷对船首外板结构带来的损伤，并与基于规范静态均布载荷的静力分析结果进行了对比。关键词：极地船舶，模型试验，数值模拟，冰力函数，损伤IABSTRACTShip-icei

4、mpacthasbeenthegoverningdesignscenarioforthedimensioningofthebowstructureforpolarclassedships.Tomeettherequirementsoficebreakingcapacityandhullstructuralstrength,rule-baseddesignisthemainprocedureinthestructuraldesignofapolarship.However,thecurrentrule-basedan

5、alysisoftheiceimpactloadisachievedthroughtheintroductionofauniformpressureappliedtothehullsurface.Thisuniformpressureapproachdoesnotaccountforthenon-linearspatialandtemporalvariationsobservedinthepublishediceloadmeasurements.Thispaperaimstoinvestigatethenon-li

6、nearvariationoftheiceloadduringship-iceimpactandstudythedamagebehavioroftheshipstructurebymodeltestingandnumericalsimulation.Firstly,aseriesofmodeltestswereperformedintheicetankofTianjinUniversitytoinvestigatetheinfluencesofseveralfactorsontheimpactload,suchas

7、thetestingmethod,theimpactlocation,themassoftheicefloe,andtheshapeofthefloe'sedge.Onthebasisofathoroughunderstandingoftheship-iceimpactprocess,thepresentstudyproposedfiveprinciplesforthemodeltestingofship-iceimpact,andestablishedthestandardtestingmethodanddata

8、processingprocedure.Basedonthepresenttests,thespatialandtemporalvariationsoftheimpactloadwereanalyzedindetail.Accordingtothederivednonlinearcharacteristicsoftheimpactload,asimplifi