船艏冰刀对船冰碰撞时结构动力响应影响分析

为探讨极地冰区船舶通过加装船艏冰刀的方式能否改善船冰碰撞结构动力响应的问题,采用非线性有限元方法,从能量转换、应力、应变云图、碰撞力和船速随时间变化关系等多个角度,比较有、无艏部冰刀两种情况下,船舶艏部与排冰发生碰撞时的动力响应规律。结果表明,加装艏部冰刀可减小船体自身的损伤和变形,改善船舶破冰性能。

考虑水介质作用的船冰碰撞解耦方法及载荷预报

考虑水介质在船冰碰撞过程中水压变化的影响,是模拟水介质中船-冰碰撞的关键。本文开展数值模拟的动网格技术研究,基于RANS方程和改进的双相流流体体积函数VOF,实时预报船冰靠拢全过程中船体表面、冰体表面的压力变化情况。得到船体表面、冰体表面的P(V)函数。进而将水介质对船冰碰撞载荷的影响简化为对船体、冰体碰撞面预加载荷来实现,达到解耦目的。

基于内外动力学耦合原理的船冰碰撞载荷特性研究

本文根据船舶碰撞的滞后性,提出了滞后系数c这一概念,并借此将船舶碰撞划分为塑性碰撞和弹性碰撞两个阶段,进而完善了船舶碰撞的算法基础;然后,利用内外动力学耦合原理首次求解出冰船碰撞过程中的恢复系数e;最终,应用中心差分法计算出该过程的冰力时历曲线以及冰船碰撞载荷的其它特性。

基于ANSYS/LS-DYNA的船冰碰撞数值分析

在极地海域复杂环境下,船舶在长距离航行中一旦与冰山或大冰块发生碰撞,极短时间内会产生巨大的冲击载荷,可能造成非常严重的海上事故等。运用有限元分析法,借助有限元分析软件ANSYS/LSDYNA对相关船舶球鼻艏与冰的碰撞情况进行数值分析,得到船舶球鼻艏结构的能量-时间关系曲线,以及碰撞力-时间关系曲线,并对各种碰撞参数所导致的结果进行定性的分析和讨论,得到不同初速度的船与冰碰撞以及不同吨位的船与冰碰撞对船舶球鼻艏破损情况的影响,对船冰碰撞领域的研究有一定的指导意义。

基于内薄层法的船冰碰撞载荷机理探究

应用内薄层法的基础理论,定量解释了船冰碰撞载荷的作用机理,给出了在考虑非线性项的条件下,涵盖速度项的显性解析表达式.提出了一种新的冰力计算公式,定量地描述了碰撞结束后冰力下降的卸载过程,并且得到了压力在接触区域上的分布形式.利用内外动力学耦合原理,以Fortran语言编写程序,利用船舶碰撞的滞后性对恢复系数进行迭代计算,求解出冰力时历曲线的同时,得到相应工况下的经验系数.在多种工况下对系数进行讨论,给出了该公式的适用范围及经验系数的推荐取值.

大块浮冰与船体碰撞的冰载荷研究

采用数值模拟方法对某极地破冰船与大块浮冰碰撞产生的冰载荷展开研究,利用ALE流固耦合方法实现船体-浮冰-海水的耦合作用,分析浮冰尺寸、形状和船舶航速对船冰碰撞冰载荷的影响。结果表明:大块浮冰出现平移挤压破碎及翻转弯曲破坏的现象,碰撞冰载荷的有义值及均值随浮冰尺寸和船速增大而近似线性增加。

极地某构型船首与浮冰碰撞的数值模拟研究

近年来,随着北极海冰的覆盖面积和厚度不断减小,极地航行装备越来越受到关注。北极航区相较于传统航区,海冰与船舶进行更频繁的相互作用,是造成船体结构疲劳损伤的主要原因之一。因此模拟海冰与船碰撞的动态过程,并对影响因素进行分析,对于预报在极区航行的船舶结构动力响应有着重要作用。文章提出了可应用于商业软件LS-DYNA的模拟冰材料参数,并根据ISO的P-A曲线验证了其可行性,构建了船首模型;在船首航行方向速度分别为5 kn、6 kn和7 kn,浮冰尺寸为10 m×10 m×0.6 m的工况下,模拟船首与浮冰碰撞的过程并进行参数影响分析。

船舶骑冰事故下船体梁结构强度特征分析

[目的]针对船体梁与冰层相互作用后的结构强度变化问题,提出骑冰工况下船体梁结构强度分析方法,揭示相应的结构强度特征。[方法]首先,建立船体梁结构强度分析模型,并根据各分段属性建立对应的船体梁载荷分析模型;然后,在载荷分析模型中求解得到骑冰工况的浮力分布并代入结构强度分析模型中,以考虑骑冰带来的浮力变化;最后,施加重力及冰层支反力,进行结构强度计算,并分析抬升位置和抬升高度对船体梁浮力、剪力、弯矩以及局部应力分布的影响。[结果]结果显示,当船首抬升高度变化时,船体梁存在浮力与剪力不随抬升高度变化的点,该点分别位于船体梁后半段以及船中;当抬升位置位于球鼻艏时,该部位的舷侧外板更接近于垂直,不利于抵抗冰层支反力,导致高应力面积相对较大,更危险。[结论]采用所提方法能够计算船体梁结构在船首大幅度抬升情况下的结构响应,计算效率高,可初步判断危险骑冰工况下船体梁的结构强度。

浮冰与极地船舶抗冰结构碰撞研究

本文围绕首部结构,根据已有文献资料,开展冰载荷作用下首部抗冰结构耐撞性能的相关研究。利用Ansys软件建立船首和冰体材料的模型,并对软件中各材料数值和单元的选用进行了讨论。通过LS-DYNA软件建立船首撞击冰排的有限元模型,考虑船与冰排的撞击位置和撞击速度等因素,对比研究各种工况下船体结构的损伤变形、能量转化和碰撞力等方面的动态响应,并最终得到上述因素对船首结构造成影响的规律。

冰载荷作用下船首结构碰撞数值仿真计算与分析

基于渤海海冰的力学统计资料,以典型散货船为研究对象,应用MSC.Dytran大型有限元软件对3种不同形状的冰体与船首结构碰撞的动态响应进行了非线性有限元计算。比较分析了3种方案下船首结构的损伤变形、碰撞力以及各构件的能量吸收,获得了在不同形状的冰体碰撞下船首结构的失效损伤规律及能量吸收机制。

一种理想弹塑性模拟的冰材料本构模型

船冰碰撞是船舶碰撞研究领域的热点之一,对冰材料的模拟是船冰碰撞的研究重点。提出一种利用理想弹塑性模型模拟的冰材料本构模型,利用半隐式图形算法计算单元塑性阶段的应力,利用Tsai-Wu屈服准则和经验失效公式用来描述冰的力学行为。利用二次开发功能,将冰材料模型嵌入LS_DYNA程序,并验证该模型的准确性和适用性。研究中针对不同局部形状的冰块与船侧碰撞场景,通过比较分析碰撞力、能量耗散等,探讨冰块的局部形状对碰撞场景的影响。研究结果表明:冰材料模型在大接触面的条件下压力与已有标准吻合较好;在不同的冰块局部形状条件下,船冰碰撞的相互作用过程不同;较钝形状的冰块表现近乎刚体,较尖锐形状的冰块较易破碎。

破冰船冲撞式破冰模拟及结构损伤分析

提出一种适用于船冰碰撞的海冰材料模型。基于该材料模型,通过非线性有限元模拟冰台撞击刚性墙,验证该模型的正确性,并成功将其运用于某PC3冰级破冰船冲撞式破冰过程数值模拟中。研究破冰船冲撞不同厚度层冰的动响应结果,总结船冰相互作用过程中碰撞力和能量的变化、船体结构损伤特性和破冰能力,研究成果可为破冰船结构设计提供参考。

计及结构变形能的冰载荷快速计算方法

借助解析方法估算出的船冰碰撞中舷侧3个典型碰撞位置结构变形能,对计算冰载荷的能量法进行修正和完善,得到计及结构变形能的冰载荷计算能量法,采用MATLAB编程计算得到不同接触面形状的有限大海冰与船舶舷侧3个典型位置相撞时的最大冰载荷和冰载荷随时间变化的曲线,实现了对冰区航行船舶局部冰载荷快速而准确的估算。

冰区加强LNG船舷侧抗撞性能仿真研究

航行于北冰洋海域的LNG船必须具备抵抗冰山撞击的能力。针对LNG船纵骨架式和横骨架式冰区结构加强方案,开展比较分析,评价LNG船舷侧抵抗冰山撞击的能力。根据CCS规范对LNG船舷侧分别进行纵骨架式与横骨架式冰区加强设计。利用有限元数值仿真技术和LS_DYNA软件,模拟冰山撞击LNG船舷侧场景,得到船体结构变形、碰撞力和能量吸收等结果。研究发现,横骨架式在相邻强横肋位之间结构较弱,纵骨架式表现出更好的抗冰撞击性能;冰带加强骨材在抵抗冰载荷过程中发挥了重要作用;在提高抗冰撞击性能的前提下,纵骨架式加强方案拥有更佳的经济效益。

考虑失效的非线性Burgers’海冰模型及其数值应用

该文以发表的海冰蠕变实验为基础,建立考虑损伤失效的非线性Burgers’海冰模型。此模型在Jordaan模型基础上考虑韧脆转变应变率影响,使原有模型应用范围扩展至较高应变率。在模型中引入经验损伤失效准则,以准确反映不同应变率、围压等工况下海冰损伤失效过程。应用FORTRAN语言,通过隐式积分中心法对此模型进行数值求解,并将其嵌入到有限元软件LS-DYNA中。对实验室尺度的柱状冰蠕变实验、真实尺度冰块-刚性板碰撞场景进行数值模拟,分析蠕变实验的轴向应变-时间曲线,讨论冰块碰撞得到的压力-面积曲线及碰撞力时历曲线。这些数值模拟结果与实验及真实碰撞结果吻合较好,验证此模型的正确性及其对工程实际进行模拟的可行性。

鱼鳞状结构在船舶抗冰撞能力上的应用

近年来,随着北极航道的出现,研究船舶结构的抗冰撞击能力越来越受到关注。本文提出一种安装在船舶满载水线处仿鱼鳞的防撞结构,加强冰区航行船舶抗冰撞击能力。这种结构形式来源于鱼鳞和古代鱼鳞甲良好的性能,该结构具有较好的抗冲击能力和减阻性能。对该防撞结构进行建模及分析,结果表明该鱼鳞防撞结构具有很好的抵御冰块冲击的能力。本文研究可以为冰区航行船舶的防撞设计提供参考。

多次冲撞式破冰过程仿真及破冰船结构损伤研究

破冰船在单个航次中多次冲撞式破冰可能造成船体结构累积损伤。为有效解决该问题,选用一种适合船冰碰撞研究的新型海冰材料模型,根据破冰船的破冰情景,对倒车后再次冲撞式破冰和多次冲撞式破冰的情景进行动态仿真。与单次冲撞式破冰进行对比,研究多次冲撞式破冰过程中的动响应特性,总结其中的碰撞力、结构损伤和能量吸收规律,为破冰船设计提供参考。