冰与结构作用非同时破坏问题的数值模拟

论文摘要

在高纬度寒冷区域,水工及海工建筑物面临着严重的冰害问题,作为其中控制因素的冰载荷的确定也成为人们首先重视的问题之一。但在冰荷载的计算中理论计算结果偏大,其中,对桩前冰排非同时破坏因素处理不得当往往是导致此问题的重要原因之一。本文以模型试验结果为参照,对运用数值模拟方法研究这个问题的可行性进行了较为深入的探索。本文首先概要地介绍了冰非同时破坏的概念,列举了国际上比较成熟的几种非同时破坏理论和规范公式。广泛查阅分析资料,总结冰与结构作用数值模拟方法的发展历程,阐述了有限元基本原理和LS-DYNA的一些功能特性。使用ANSYS/ LS-DYNA显式动力有限元分析软件对桩与冰排间相互作用进行模拟,并以冰与结构作用的冰力模型试验现象和结果为参照,对模拟过程进行调整和改进,以期得到更加接近真实情况的模拟过程。在此基础上,进一步研究桩径变化对冰力值的影响,分析冰力变化规律。同时为了在数值技术上实现突破,初步尝试了流固耦合算法的运用。通过对数值模拟结果的分析,证明对冰排非同时破坏进行数值模拟方法的研究与探讨具有可期望的前景。随着数值模拟理论与技术的进一步深入和发展,建立一种简便、可行、经济的数值模拟方法运用于确定海工及水工结构物冰载荷是可以实现的。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 冰与结构作用问题的研究意义
• 1.1.1 冰对结构物的作用力
• 1.1.2 冰的破坏形式
• 1.2 本文的研究背景
• 1.3 本文所做的工作
• 第二章 非同时破坏理论的研究
• 2.1 非同时破坏理论
• 2.1.1 Kry 理论
• 2.1.2 Jordaan 理论
• 2.1.3 Takeuchi 理论
• 2.1.4 待解决的问题
• 2.2 规范、经验公式
• 2.2.1 Schwarz 公式
• 2.2.2 美国API 规范
• 2.2.3 港口工程荷载规范
• 2.2.4 多系数公式（Korzhavin-Afanasev）公式
• 2.2.5 苏联规范《波浪、冰凌和船舶对水工建筑物的载荷与作用》
• 2.2.6 公式优缺点
• 第三章 冰载荷研究方法及LS-DYNA 软件介绍
• 3.1 现场试验和检测
• 3.2 模型试验研究
• 3.3 数值模拟研究
• 3.3.1 有限元法
• 3.3.2 无网格方法
• 3.4 显式动力分析软件LS-DYNA
• 3.4.1 LS-DYNA 功能特点
• 3.4.2 接触分析功能
• 第四章 冰排非同时破坏的数值模拟
• 4.1 计算流程
• 4.2 前处理阶段
• 4.2.1 单位制选择
• 4.2.2 单元类型的选择
• 4.2.3 材料特性的选择
• 4.2.4 几何模型的建立
• 4.2.5 网格划分
• 4.2.6 定义组元和PART
• 4.3 求解阶段
• 4.3.1 接触设定
• 4.3.2 边界条件及载荷
• 4.3.3 求解控制
• 4.4 后处理及结果分析
• 4.4.1 破坏过程分析
• 4.4.2 应力状态分析
• 4.4.3 时程曲线分析
• 4.5 不同桩径下冰力值的比较
• 4.5.1 时程曲线分析
• 4.5.2 冰力值分析
• 第五章 流固耦合初步探索
• 5.1 水浮力的作用
• 5.2 流固耦合算法简介
• 5.3 流体-结构耦合定义
• 5.4 流固耦合的模拟
• 5.5 结果分析
• 第六章 问题与结论
• 6.1 问题的讨论
• 6.2 结论
• 参考文献
• 发表论文和科研情况说明
• 致谢