三峡库区双壳油船碰撞仿真与研究

论文摘要

随着长江三峡库区的正式投付使用,库区从事营运船舶的迅猛发展,发生碰撞事故的可能性也会增加。船舶碰撞往往会造成结构破损、环境污染、人员伤亡等灾难性的后果,所以,无论是从安全上、经济上,还是从环境保护上来看,研究并提高船舶的抗碰撞性能都具有重要的意义。船舶碰撞时,由于船舶具有巨大的质量和动能,碰撞区的结构一般都迅速超越了弹性变形而进入塑性流动状态,并可能产生撕裂、屈曲等各种形式的破坏或失效。不同于陆上的结构碰撞,船舶周围流体介质也参与了能量吸收,影响碰撞的过程和结果。碰撞过程中,结构失效和船舶运动是同时发生的,并互相影响,应该联合求解。在船舶碰撞研究中,一般将其力学机理分为外部碰撞力学和内部碰撞力学两部分,内部碰撞力学的研究方法包括经验方法、简化分析方法、试验方法和有限元方法。其中,有限元数值仿真方法是目前最为有效的方法之一,包括流—固耦合法、附加水质量法和等效船体梁法。流—固耦合技术来解决船体和水之间的相互作用,这是目前最准确的计算方法,但大量耗费计算机时间;附加水质量法将相撞船舶周围水的影响以附加质量的形式加以考虑,可以显著提高计算效率,但整船建模任务依然繁重;等效船体梁法对直接涉撞区域结构用详细有限元模型来表达,其他区域以具有相应质量分布和弯曲刚度的直梁来表示,并将碰撞区局部模型与船体梁模型适当的连接起来,船体周围的水采用附加质量法考虑,这将大大提高建模的工作效率和仿真计算速度。本论文先讨论了碰撞中有关非线性有限元技术的基本理论,比如拉格朗日和欧拉单元、沙漏控制、显式时间积分、材料动力特性和接触问题。再利用有限元仿真软件MSC.Patran与MSC.Dytran采用等效船体梁法建立船舶碰撞模型,对模型中质量分配、网格大小、单元类型、材料模型及分组建模进行了介绍。在此基础上,对被撞船舷侧结构碰撞性能进行了研究,得到了被撞船舷侧构件的损伤时序变形图,以及能量—撞深和撞击力—撞深关系曲线;讨论了不同撞击船初速度和质量、不同撞击点对被撞船舷侧结构碰撞性能的影响,取得了舷侧结构碰撞性能的一般性结论。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 选题背景与研究目标
• 1.2 船舶碰撞研究现状与进展
• 1.2.1 船舶碰撞研究方法
• 1.2.1.1 外部碰撞力学
• 1.2.1.2 内部碰撞力学
• 1.2.2 船舶碰撞研究趋势
• 1.3 本论文研究的内容和工作
• 第2章 非线性有限元数值仿真的基本理论
• 2.1 有限元法概况
• 2.2 拉格朗日有限元法和欧拉有限体积法
• 2.2.1 拉格朗日（Lagrange）有限元法
• 2.2.2 欧拉（Euler）有限体积法
• 2.3 显式时间积分
• 2.3.1 隐式求解方法
• 2.3.2 显式求解方法
• 2.3.3 显式积分的时步控制
• 2.3.4 显式求解与隐式求解的计算效率比较
• 2.4 碰撞仿真中的沙漏控制
• 2.5 碰撞仿真中材料模型
• 2.5.1 弹塑性材料
• 2.5.2 固体材料的动力特性
• 2.5.3 材料失效准则
• 2.6 碰撞仿真中接触算法
• 2.6.1 接触面
• 2.6.2 穿透问题
• 2.6.3 计算方法
• 第3章 船舶碰撞非线性有限元数值分析方法
• 3.1 引言
• 3.2 流—固耦合法
• 3.3 附加水质量法
• 3.3.1 横漂运动的附加水质量
• 3.3.2 进退运动的附加水质量
• 3.4 等效船体梁法
• 第4章 船舶碰撞模型建立
• 4.1 非线性有限元软件MSC.Dytran简介
• 4.2 船舶碰撞情景确定
• 4.3 参数定义
• 4.3.1 单元类型定义
• 4.3.2 材料模型定义
• 4.4 碰撞模型质量分配
• 4.5 网格划分
• 4.6 分组建模
• 4.7 碰撞有限元模型
• 第5章 船舶碰撞有限元仿真计算与分析
• 5.1 碰撞区结构损伤变形
• 5.2 应力与应变
• 5.3 舷侧结构撞击力—撞深关系曲线
• 5.4 碰撞过程中能量转换与吸收
• 5.5 撞击船初速度对碰撞影响
• 5.5.1 撞击船初速度对计算时间的影响
• 5.5.2 撞击船初速度对碰撞性能的影响
• 5.6 撞击船质量对碰撞影响
• 5.7 撞击点位置对碰撞影响
• 第6章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表的论文