冰载荷作用下破冰船船首结构动态响应研究(2)

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1.3国内外研究现状.5

1.3.1冰体研究现状及冰级规范.6

1.3.2船-冰碰撞研究现状9

1.4目前的研究中存在的问题.10

1.5本文的工作内容.11

第二章冰载荷分析.12

2.1冰载荷模型的选择.12

2.2破冰船与冰相互作用工况选择12

2.3船-冰碰撞的数值仿真方法分析.17

2.3.1附连水质量法17

2.3.2流固耦合法18

2.3.3等效船体梁法19

2.4小结.20

第三章破冰船船首结构动态响应的非线性有限元分析.21

3.1有限元方法介绍.21

3.2ANSYS/LS-DYNA软件简介.21

3.2.1ANSYS/LS-DYNA的发展22

3.2.2沙漏控制22

3.3有限元模型的建立.23

3.3.1破冰船模型.23

3.3.2冰载荷模型.26

3.3.3网格划分.27

3.3.4生成PART及定义接触29

3.3.5K文件处理.30

3.3.6结果输出.30

3.4小结.31

第四章船-冰碰撞结果分析32

4.1碰撞方案32

4.2碰撞力33

4.3结构吸能36

4.4小结.37

结论38

致谢39

参考文献.40

第一章绪论 1.1 研究背景及意义近年来由于全球气候变暖，海冰融化加速，使得极地资源的开发利用成为现实，各国都在积极的对极地进行科学考察，如何开辟新的航道以及如何安全有效的对极地海洋资源进行开发成为人们关注的焦点。在这样的国际大背景下，破冰船逐渐脱颖而出，在各国极地战略中显示出及其重要的价值，在航道运输、极地救援及开发新航线等方面更是占有无可替代的地位。为此，研究破冰船在冰载荷作用下结构动态响应，开发新船型，提高破冰船的破冰能力就变得尤为重要。图 1.1 北极航道极地航线的开通必将会给国际海运业带来巨大的经济利益，世界各国及全球的航运组织都在积极关注极地航线的开发利用。俄罗斯、美国，芬兰等具有地缘优势的国家对极地冰区的研究早已展开，其破冰船的设计和建造工艺也已成熟，然而目前我国对于破冰船的研究无论是从理论还是从工程上都尚处于起步阶段。鉴于北极地区重要的经济地位和战略价值，即使我国不具有地区政治优势，对北极地区和破冰船的研究[1]也是十分必要的。将来会有越来越多的船舶航行于冰区，这对我国海运业来说既是千载难逢的发展机遇，同时也意着将要面临各国航运企业带来的冲击。因此我国必须抓住机遇、积极应对挑战，尽早掌握先进的破冰船设计建造的方法和技术，率先取得研究成果，才能在未来冰区航线发展中占得先机。现代破冰船的破冰方式主要有三种：第一种称为“顶撞法” ，就是利用破冰船动力装置提供的动力，在前进过程中通过船的艏柱及首部的船体顶撞冰层，
将其挤碎；第二种则是“冲撞法”，这种方法是利用破冰船倒车后加速前进的巨大撞击力将冰层撞碎；第三是“艏压法” ，其原理是在破冰船靠近冰层时，通过调节船舶内的压载水使首部上抬压上冰层，然后利用自身的重力将冰层压碎。一般情况下，采用“顶撞式”和“冲撞式”的破冰方式进行破冰的破冰船比较常见。目前，国际上针对破冰船的发展主要有两个极其重要的研究方向：一是破冰船破冰过程中冰载荷的确定问题，二是破冰船船首结构动态响应分析问题 [2]。因此，本文主要针对冰载荷作用下破冰船船首结构动态响应进行分析研究。 1.2 破冰船概况破冰船是一种特殊的勤务船，主要用于为冰区航行的船舶破开冰层、开辟航道，或保障其能够顺利的进出冰封的港口、锚地等。破冰船根据不同的作业水域可分为江河、湖泊、港湾或海洋破冰船。破冰船与其他船舶相比较，有自己的特点：船体结构坚实，船壳钢板比一般船舶厚的多，且船的首尾和水线区均用厚钢板和密骨架进行加强；船艏柱尖瘦前倾，船体短而宽，以便于在冰层中开出较宽的航道；长宽比值小，因而可以灵活的进退或者变换方向，操纵性好。破冰船破冰时是通过船首压挤冰层[3]在行进过程中连续破冰或反复突进破冰的。图1.2为正在破冰的破冰船。1864年，世界第一艘破冰船诞生，它是由俄国人用一艘小轮船“派洛特”号改装而成的，用于在冰冻期保持喀琅施塔得至奥兰宁鲍姆航线的通航。1899年，由俄国人设计、英国建造出世界上第一艘极地破冰船“叶尔马克”号[4]。目前许多高纬度国家都拥有破冰船，如俄罗斯拥有多艘用于开辟北极航道的核动力大马力破冰船。 1912 年，中国第一艘破冰船“通凌”号（排水量为 410 吨，功率为 688 马力）于江南造船所建成。1970年，中国第一艘自主设计建造的大型破冰船“海冰 101”号交付。 1957 年，前苏联建造成世界上第一艘核动力破冰船——“列宁”号破冰船[5]。随着极地冰区科考事业的发展，现代破冰船不仅仅用于破冰，还兼负着海洋运输和海洋考察等任务，逐渐成为极地考察的重要装备。由于这类破冰船航程远，破冰进程较慢，且燃料消耗大，采用核动力推进装置，能很好地解决这个问题，但造价相对昂贵。中国虽在极地地区没有领土，但是境内海域也时有冰情出现，最严重的三次分别发生在1936、1947以及1969 年。 1969 年，渤海冰情十分严重，渤海湾的冰期长达 4 个月。