新型锥体结构抗冰性能的有限元分析

论文摘要

随着海上开发活动的规模化发展,海工结构的冰载荷问题日益凸现。为了抵抗冰害的威胁,工程技术人员在抗冰结构的实践和研究领域进行了大量的工作,把锥体或正、倒锥体作为迎冰的结构型式就是工程实践的重要成果。但是在正倒锥体抗冰结构使用过程中也突显出了一系列的问题,其中问题之一即为正倒锥体交界线宽大的迎冰直径产生的较大冰荷载。本文通过采用ANSYS软件建立新型锥体结构,用接触算法对不同锥体结构进行有限元分析,力求找出一种最理想的新型锥体结构。本文首先概要地介绍了冰与结构物作用研究的现状以及锥体冰力的研究现状,同时介绍了冰排弯曲破坏的两种基本模式。列举了国际上常用的锥体静冰力计算模型,推导了冰排在锥面上断裂长度的相关方程。阐述了有限元基本原理和非线性接触分析,并使用大型通用有限元软件ANSYS建立了锥体与冰排作用的数学模型。通过数学模型计算,分别对传统锥体交界线、带小锥体的新型锥体结构与冰排作用过程进行了模拟,并对这两种模型计算的结果进行比较,验证了新型锥体结构比传统正倒锥更有利于破冰的特征。在此基础上,又对新型锥体结构进行改进,分析比较了迎冰面分别设有四、五、六、七个小锥体的新型锥体结构的破冰性能,从而获得在迎冰面设置五个小锥体时,结构所受冰荷载最小,更利于破冰的初步结论。通过数学模型计算与理论分析,证明新型锥体结构破冰性能优于传统锥体,对实际工程的设计具有很大的参照意义。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 海冰与结构物作用研究的现状
• 1.1.1 海冰对海工建筑物的危害形式
• 1.1.2 冰排的破坏形式
• 1.2 锥体冰力研究的工程背景及现状
• 1.2.1 锥体抗冰结构的工程背景
• 1.2.2 锥体冰力的研究现状
• 1.3 冰排与锥体作用的过程
• 1.3.1 冰排弯曲破坏的两种基本模式
• 1.3.2 最大冰力与破坏模式的关系
• 第二章 锥体结构冰力的研究
• 2.1 锥体的静冰力
• 2.1.1 原型观测
• 2.1.2 理论分析
• 2.1.3 模型试验
• 2.1.4 数值模拟
• 2.2 冰排的断裂长度
• 2.2.1 窄锥冰力幅值－断裂长度相关方程
• 2.2.2 冰排弯曲断裂的长厚比
• 第三章 ANSYS 有限元分析及接触单元
• 3.1 ANSYS有限元分析简介及应用
• 3.1.1 有限元法概述
• 3.1.2 ANSYS发展和应用简介
• 3.2 接触问题与接触单元
• 3.2.1 接触的一些基本概念
• 3.2.2 ANSYS的接触分析功能
• 3.2.3 ANSYS面面接触分析的过程
• 3.3 接触设置问题
• 第四章 传统锥体的数学计算与分析
• 4.1 作用在正倒锥斜面上的冰力研究
• 4.1.1 前处理阶段
• 4.1.2 求解阶段
• 4.1.3 后处理阶段
• 4.2 作用在正倒锥交界面上的冰力研究
• 4.2.1 应力状态
• 4.2.2 时间—历程曲线及冰荷载
• 第五章 新型锥体的冰力研究
• 5.1 问题的提出
• 5.2 新型锥体迎冰面设置四个小锥体
• 5.2.1 模型的建立
• 5.2.2 应力状态
• 5.2.3 时间—历程曲线及冰荷载
• 5.2.4 数据整理与分析
• 5.2.5 与传统锥体抗冰效果的比较
• 5.3 改变迎冰交界线平置锥体个数的新型锥体
• 5.3.1 迎冰交界面五个平置小锥体
• 5.3.2 迎冰交界面六个平置小锥体
• 5.3.3 迎冰交界面七个平置小锥体
• 5.3.4 抗冰效果比较
• 5.4 改变平置小锥体迎冰锥角的新型锥体
• 5.4.1 小锥体迎冰锥角45°
• 5.4.2 小锥体迎冰锥角75°
• 5.4.3 抗冰效果比较
• 第六章 结论
• 参考文献
• 发表论文和参加科研情况说明
• 致谢