冰撞載荷作用下船體結(jié)構(gòu)抗沖擊設(shè)計研究.pdf

1、隨著全球氣候的變暖，北極地區(qū)冰面正以每10年9％左右的速度消失，北極資源開發(fā)正趨于可行。北極地區(qū)蘊藏著豐富的石油、天然氣、礦物和漁業(yè)資源。因此，開發(fā)北極資源正受到世界各國，尤其是沿海國家的廣泛關(guān)注和高度重視。然而，船舶在高緯度海域航行，將會不可避免地與各種形狀的冰體發(fā)生碰撞。一旦船只與冰體發(fā)生碰撞，極有可能損壞船體、引起貨物泄露和環(huán)境污染，甚至造成重大人員傷亡。為了能夠大規(guī)模有效開發(fā)世界范圍內(nèi)的結(jié)冰海域油氣資源，必須解決海冰災(zāi)害引起的各

2、種問題。
　　基于上述原因，本文開展了冰撞載荷作用下船體結(jié)構(gòu)抗沖擊設(shè)計研究。首先，研究船—冰碰撞有限元仿真技術(shù)，建立了適用于有限元仿真的冰體材料參數(shù)；其次，根據(jù)冰級規(guī)范進行冰區(qū)結(jié)構(gòu)加強，設(shè)計了橫向和縱向兩種加強方式，并與傳統(tǒng)未加強結(jié)構(gòu)進行比較，突出冰區(qū)結(jié)構(gòu)加強的重要性和橫向加強方式的優(yōu)越性；然后，在規(guī)范加強的基礎(chǔ)上，進行船舶結(jié)構(gòu)冰區(qū)加強方案研究，進一步研究單一構(gòu)件強度的增加對整體結(jié)構(gòu)影響的規(guī)律性；最后，設(shè)計了兩種新型夾芯抗沖擊肩部

3、結(jié)構(gòu)，并與傳統(tǒng)肩部結(jié)構(gòu)作比較，對比分析不同結(jié)構(gòu)的抗沖擊性能，得出一種較優(yōu)的新型抗冰載荷沖擊肩部結(jié)構(gòu)形式。主要工作如下：
　　（1）基于彈塑性力學(xué)理論及非線性有限元軟件LS-DYNA，研究了船—冰碰撞的材料模型。以典型成品油船為例對船體結(jié)構(gòu)有限元仿真技術(shù)進行詳細(xì)闡述，包括船體結(jié)構(gòu)簡化、網(wǎng)格劃分、接觸定義等建模過程；建立了適用于有限元仿真的冰體材料參數(shù)。最后，參考前人的研究成果，驗證了本文所確定的冰體材料模型及仿真方法的可行性。

4、>　?。?）以一艘成品油船為例，應(yīng)用前處理軟件 PATRAN建立了全船、冰體的有限元模型，通過非線性有限元軟件 LS-DYNA，分別模擬未進行肩部加強船舶與冰體發(fā)生碰撞以及肩部采取橫向和縱向兩種不同加強方式的船舶與冰體碰撞。對比研究了不同碰撞方案下船體結(jié)構(gòu)響應(yīng)的異同，揭示了現(xiàn)有的冰區(qū)加強規(guī)范的可行性與橫向、縱向兩種加強方式的差異。
　?。?）在按冰級規(guī)范進行冰區(qū)加強的基礎(chǔ)上，進一步研究了單一構(gòu)件強度的增加對整體結(jié)構(gòu)影響的規(guī)律性。選

5、取經(jīng)橫骨架式加強后的油船為研究對象，在其他因素不變的前提下，對比分析了不同外板厚度、不同橫隔板厚度以及不同肋骨間距下船體結(jié)構(gòu)響應(yīng)的差異。揭示了碰撞區(qū)域的損傷變形、碰撞力、結(jié)構(gòu)吸能隨外板厚度、橫隔板厚度、肋骨間距的變化而變化的規(guī)律，獲得船舶肩部各主要構(gòu)件對于抵抗冰載荷作用的能力及貢獻。
　?。?）將夾層板應(yīng)用于肩部結(jié)構(gòu)，設(shè)計出I型、V型兩種新型抗沖擊結(jié)構(gòu)形式?；诜蔷€性有限元軟件LS-DYNA，對比分析了傳統(tǒng)加強結(jié)構(gòu)、I型夾層板結(jié)構(gòu)