破冰船冲破冰层的有限元数值仿真研究.pdf

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1、第14卷第5期中国水运VoI.14No.52014住5月ChinaWaterTransportMay2014破冰船冲破冰层的有限元数值仿真研究王林,刘星(江苏科技大学船舶与海洋工程学院,江苏镇江212003)摘要:基于“冲撞式”破冰法以及有限元仿真法的原理,利用MSC.Patran/Dytran软件进行冰载荷的数值模拟,研究模拟破冰船冲撞冰层的过程中的关键技术,分析确定适合于本文所用的研究方案,对整个破冰过程中冰层的变化过程进行分析,并通过对比不同的冲撞速度、撞击角度以及冰层厚度,研究这些参数的不同对破冰船破冰能力的影响。关键词:破冰船;冰载荷;冰的非同时破坏中图分类号:U6

2、61.4文献标识码:A文章编号:1006—7973(2014)05—0062-03破冰船在破冰航行的过程中,一般会采取两种航行方式。一步的提高;GF法目前一般应用于小尺度的海冰动力学的数如果航行海域比较开阔,破冰船会以最经济的方式进行航行,值模拟试验研究。此时的破冰船就和其他船舶一样,按照设定的航线进行航行,二、结构的有限元模型及材料特性参数此时的破冰船具有一定的适航性;如果航行的海域是一片海对海洋结构物进行有限元动力模拟分析时,一般会用到冰区域,且靠近海岸,此时,破冰船将进行破冰作业。在开三种建模方法:流固耦合法、附连水质量法、等效船体梁法。阔的水域航行时,决定船舶运动相应

3、的控制载荷主要是破浪对比以上三种方法,流固耦合法由于为了引入流体的影载荷,与之相比,破冰船在进行破冰工作时,破冰载荷将代响,需要建立整船模型,模拟是情况是三种建模方法中最为替波浪载荷,成为主要的控制载荷来决定破冰船的破冰能力真实的,也是目前所能掌握的最准确的仿真分析方法,且流与运动相应。固耦合法的计算精度较高,但其建模的工作量十分巨大。而一、数值模拟附连水质量法和等效船体梁法,都是一种简化的近似计算方目前,虽然能够进行显示动力分析的有限元软件很多,法。虽然流固耦合法的精度很高,但在考虑本文的实际情况:但是它们都要通过前处理、求解、后处理这三个基本环节来一片没有水域的冰区,因此

4、本文将采用附连水质量法。在进进行分析求解,因此,他们的基本的分析流程大致相似。行建模的时候,一般会增大船体的密度从而使模型的总质量对于利用数值模拟方法解决连续介质力学问题,通常有等于船舶排水量与附连水质量之和。两种方法:Lagrange法和Euler法;而对于动力学数值问(1)有限元模型题,由分为隐式时问积分法和显式时间积分法。其中,拉格在利用大型有限元分析软件进行建模分析时,一般需要朗日(Lagrange)法,又名质点坐标系法,其主要是把参始先选择有限元模型单元通。通常会采用的模型单元有体单元、形态作为参考,利用这个参考来描述连续介质的问题。在这壳单元、梁单元等。本文选取的

5、破冰船的主体结构就采用四种方法中,结构物网络是有单元组成的,而单元又是有各个边形单元进行建模,部分小构件及不规则区域采用三角形单节点连接而形成的,并且这些节点都是固定在分析对象上的。元进行建模模拟。由于破冰船在进行破冰作业的过程中,主所以当对象发生形变时,节点也会随之移动,进而单元发生要依靠船艏冲撞冰层来进行破冰,而其他区域,由于远离破变形。在工程中,对于固体结构主要应用此方法来进行分析。冰接触区域,几乎不会出现结构变形;同时,如果结构所划对于结构物瞬间的动态变化,通常利用显式积分方法来进行分的模型单元的尺寸过小,则会大大减小积分步长,导致计模拟。这种方法具有计算快、可自动控

6、制步长以及精度高等算时间大大加长。因此,综合考虑以上两点,本文对模型进特点。行了简化处理,简化后的数值仿真模型如图1。目前,一般有以下几种方法来进行海洋冰载荷的数值模拟和预测:有限元法(FEM)、有限差分法(FDM)、光滑指点动力学法(SPH)、离散元法(独立元法)、不连续变形分析法(DDA)以及颗粒流法(GF)。通过对以上几种方法进行对比分析,可以发现,较为成熟的有限元法和FDM法虽然应用比较广泛,但也有一定的局限性,由于对网格的依赖性使其不太适合处理与原结构不相符的不连续型问题;SPH法虽然可以很好的解决这个困难,但模拟计算的效率需要进图1简化后的数值仿真模型收稿日期:2

7、014—02—19作者简介:王林(1963一),男,江苏科技大学教授。刘星(1989一),女,江苏人,江苏科技大学,硕士生,主要从事船舶与海洋结构物设计性能方面的研究。第5期王林等:破冰船冲破冰层的有限元数值仿真研究63(2)材料属性2.不同撞击速度下破冰船冲撞冰层的分析本船所选用的船体的材料为低碳钢,冰层为一般海冰。当冰层很厚很坚固是,利用“连续式”破冰法已经无法由于二者都是应变率敏感的材料,所以需要考虑其屈服应力破开冰层,此时破冰船需要先后退一段距离,然后开足马力与应变率之间的关系。海冰是一种典型的

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