碰撞载荷作用下船舶舷侧结构抗冲击性能研究

论文摘要

船舶碰撞是指船舶在海上或者与海相通的可航水域发生接触造成损害的事故,它往往造成结构破损、货物泄漏、环境污染、人员伤亡等灾难性的后果。因此,无论从安全上、经济上,还是环境保护上来看,研究船舶碰撞的结构损伤机理,进而提高船舶结构抗冲击性能都具有重要的现实意义。目前,船舶碰撞的研究方法主要有简化解析法、试验研究法和数值仿真计算三种。由于简化解析方法精确性不高和试验研究成本太高,本文主要采用数值仿真的方法。基于在研课题《中俄船舶抗冲击防护结构研究》中对民品船舶的碰撞性能研究要求,主要从船舶结构的角度出发,采用大型动力有限元计算软件ABAQUS/EXPLICIT,以数值仿真计算为主要手段并结合船舶碰撞动力学及塑性动力学的基本原理,研究了船舶碰撞过程中碰撞载荷、舷侧构件的损伤变形、失效模式及能量吸收的力学机理。与此同时,对十字隔板相对刚度、舱内液货、碰撞相对位置、碰撞速度、碰撞角度和碰撞质量等碰撞因素对船舶舷侧结构抗冲击性能的影响也进行了系统的研究,为以后船舶舷侧碰撞性能的评估及未来新型船舶结构的耐撞性优化设计提供借鉴,同时也为我国新的船舶设计和制造抗冲击标准提供有价值的参考。具体的说,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碰撞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、介绍了船舶碰撞运动控制方程及其有限元求解方法,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)船体板架抗冲击性能研究及其数值仿真方法有效性验证。根据国外加筋板架碰撞系列试验情况,选取其中五种典型加筋板架模型进行了数值仿真计算和理论分析,对船体板架抗冲击性能进行了研究,与此同时,计算结果表明本文采用数值仿真方法具有很高的精度,能够满足工程应用的需要;(4)利用数值仿真方法,对典型双层舷侧结构的抗冲击性能进行了分析。应用前文总结的船舶碰撞数值仿真建模的关键技术和处理技巧,建立了碰撞数值模型,并主要从碰撞载荷、舷侧构件损伤变形模式及能量的吸收与转换三个方面对舷侧结构的抗冲击性能进行分析研究;(5)分析研究了系列碰撞因素对舷侧结构抗冲击性能的影响。通过改变部分模型参数,数值仿真很方便地分析了十字隔板相对刚度、舱内液货、碰撞相对位置、碰撞速度、碰撞角度和碰撞质量等碰撞因素对舷侧结构抗冲击性能的影响,尤其是首次开展了针对十字隔板相对刚度和舱内液货影响的研究工作,对全面评估船舶舷侧结构抗冲击性能具有重要意义。基于以上研究内容,本文主要在以下两方面有所创新:(1)提出了结构相对刚度的概念,并将其应用到船舶碰撞研究中,实现了舷侧结构抗冲击性能的初步优化;(2)首次开展了舱内液货对舷侧结构抗冲击性能影响的研究,为后续研究工作的开展提供借鉴。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究意义和目的
• 1.2 船舶碰撞研究内容及方法
• 1.3 船舶碰撞研究现状
• 1.3.1 简化解析法研究综述
• 1.3.2 试验研究综述
• 1.3.3 数值仿真研究综述
• 1.4 论文主要内容
• 第2章 船舶碰撞基本理论与数值仿真技术
• 2.1 引言
• 2.2 船舶碰撞运动控制方程
• 2.3 显示有限元求解方法
• 2.4 材料模型及其失效判据
• 2.4.1 弹塑性流动材料模型
• 2.4.2 断裂失效判据
• 2.5 碰撞仿真中沙漏控制
• 2.6 船舶碰撞数值建模
• 2.6.1 计算模型化处理
• 2.6.2 结构简化
• 2.6.3 网格划分
• 2.6.4 模型检查
• 2.6.5 时间步长调整
• 2.7 本章小结
• 第3章 碰撞载荷下船体板架抗冲击性能研究
• 3.1 引言
• 3.2 加筋板架碰撞模型试验
• 3.2.1 碰撞试验机
• 3.2.2 加筋板架模型
• 3.3 加筋板架碰撞数值仿真分析
• 3.3.1 损伤变形分析
• 3.3.2 应力应变分析
• 3.3.3 碰撞力载荷
• 3.3.4 能量吸收与转换
• 3.4 加筋板架损伤变形理论预测
• 3.4.1 板壳变形能
• 3.4.2 加强筋变形能
• 3.4.3 加筋板架变形计算及分析
• 3.5 本章小结
• 第4章 船舶典型舷侧结构抗冲击性能研究
• 4.1 引言
• 4.2 船舶碰撞有限元模型
• 4.2.1 刚性球鼻艏撞头
• 4.2.2 被撞船舷侧舱段
• 4.2.3 整体模型及碰撞情景
• 4.3 碰撞力载荷
• 4.4 各构件损伤变形
• 4.5 应力及应变响应
• 4.6 能量吸收与转换
• 4.7 本章小结
• 第5章 碰撞因素对舷侧结构抗冲击性能影响分析
• 5.1 引言
• 5.2 十字隔板相对刚度
• 5.2.1 相对刚度定义
• 5.2.2 内壳板损伤变形分析
• 5.2.3 碰撞载荷及能量吸收
• 5.3 舱内液货
• 5.3.1 碰撞力载荷
• 5.3.2 舷侧各构件损伤及吸能分析
• 5.3.3 舱内原油自由面运动
• 5.4 碰撞速度
• 5.5 碰撞角度
• 5.6 碰撞质量
• 5.7 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表论文和取得科研成果
• 致谢