船舶抗冲击防护结构设计及仿真技术研究

论文摘要

船舶在航行过程中不可避免的要受到各种冲击载荷的威胁,对于一般民用船舶其冲击载荷主要是船舶碰撞或搁浅时的碰撞力载荷;对于军船则还要充分考虑到战时的爆炸冲击载荷。在碰撞和爆炸这样的强瞬态冲击载荷作用下,船舶往往会造成结构破损、人员伤亡等后果,因此,研究船舶抗冲击防护性能,进而提出新型抗冲击防护结构都具有重要的现实意义。本论文主要采用数值仿真的研究方法,分别对碰撞载荷作用下民船抗冲击防护结构设计及抗冲击性能和水下爆炸载荷作用下舰船典型结构的抗冲击防护结构设计和抗冲击性能进行了研究。具体的讲,本文主要研究内容如下:(1)从理论研究、试验研究及数值仿真三个方面总结分析了船舶抗冲击领域的国内外研究现状,并对比分析了三种研究方法的优缺点,简要阐述了本文的主要研究工作和方法;(2)推导、介绍了船舶运动控制方程及其有限元求解方法,并重点讨论了船舶碰撞数值仿真的基本理论和有限元建模时的关键技术和处理技巧;(3)针对传统双层舷侧结构的碰撞问题特点,采用有限元分析软件ABAQUS,对碰撞损伤过程进行深入研究,分析碰撞过程中各个构件的吸能特性和损伤特点。设计出三种新型的舷侧结构,通过对碰撞过程的数值仿真和比较研究,分析四种舷侧结构在舷侧内板破损时的吸能能力,以及它们的防撞性能。(4)采用数值仿真研究水下爆炸效应。首先针对舰用板架进行水下爆炸动响应分析,通过不同加筋形式动响应结果的对比,得到了水下爆炸响应基本规律,并探讨了不同网格密度对计算精度的影响;其次,选取某型船船舯附近某典型舱段进行水下非接触爆炸的数值仿真计算,进行不同爆炸工况下舰船动响应对比分析,设计出新型舷侧防护结构,通过有限元仿真和对比,分析它们的抗冲击性能。(5)为考核舰船局部结构的防护性能,选择合适的实验模型至关重要。首先设计出五种试验模型方案,采用数值仿真的方法先对舰船整体、局部结构抗爆抗冲击性能进行仿真评估,通过对比分析应力、冲击环境等主要因素,为确定舰船局部防护结构模型实验提供参考依据。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究目的及意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 基于碰撞载荷的防护结构设计
• 1.2.2 基于爆炸载荷的防护结构设计
• 1.3 数值仿真研究概述
• 1.4 主要研究内容
• 第2章 船舶抗冲击数值仿真技术研究
• 2.1 引言
• 2.2 材料模型
• 2.3 数值阻尼
• 2.4 水下爆炸冲击波及声固耦合算法
• 2.4.1 水下爆炸冲击波
• 2.4.2 声固耦合算法
• 2.5 碰撞中的接触与摩擦分析
• 2.5.1 接触算法
• 2.5.2 摩擦影响分析
• 2.6 碰撞载荷与爆炸载荷特征对比
• 2.7 本章小结
• 第3章 民船抗冲击防护结构设计及抗冲击性能研究
• 3.1 引言
• 3.2 传统双层舷侧结构的碰撞仿真及其分析
• 3.2.1 碰撞分析模型
• 3.2.2 碰撞区结构损伤变形
• 3.2.3 应力与应变
• 3.2.4 撞头速度和穿透量
• 3.2.5 碰撞力时间历程
• 3.2.6 能量转换与吸收
• 3.3 三种改进型舷侧结构
• 3.4 四种舷侧结构碰撞仿真结果及其对比分析
• 3.4.1 改进型舷侧结构碰撞区损伤变形
• 3.4.2 碰撞力比较
• 3.4.3 四种舷侧结构的塑性变形能吸收
• 3.4.4 四种结构的比吸能比较
• 3.4.5 四种舷侧内板的最大加速度比较
• 3.5 本章小结
• 第4章 舰用板架抗冲击分析及舷侧防护结构设计
• 4.1 引言
• 4.2 爆炸载荷下舰用板架结构动态响应分析
• 4.2.1 加筋板架模型
• 4.2.2 工况设置
• 4.2.3 不同加筋型式板架动响应分析
• 4.2.4 不同骨材型式板架动响应分析
• 4.2.5 不同网格精度板架动响应分析
• 4.3 新型舷侧防护结构有限元对比分析
• 4.3.1 新型舷侧防护结构有限元模型
• 4.3.2 新型舷侧防护结构仿真结果及对比分析
• 4.4 本章小结
• 第5章 舰船分段结构抗冲击性能研究
• 5.1 引言
• 5.2 舰船结构抗冲击仿真方案选取
• 5.3 工况设置
• 5.4 应力对比分析
• 5.5 安全半径、临界半径和破坏半径对比分析
• 5.6 冲击环境对比分析
• 5.7 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢