考虑晃荡影响的船舶结构碰撞性能研究

论文摘要

近年来,许多学者对碰撞问题进行了广泛的研究和探讨,并且取得了很多成果。然而,在船舶碰撞损伤机理研究中,由于船舶碰撞问题本身的复杂性和求解技术的限制,在研究船舶结构碰撞损伤特性的过程中普遍没有考虑舱内液货与结构的耦合作用,而船舶在实际营运过程中,载液货时遭遇事故造成的危害更大,要准确评估载液货状态下船舶的碰撞性能,应该考虑液货与结构之间的耦合作用。本文在研究液货影响下船舶碰撞数值仿真模型化技术的基础上,利用非线性显示动力软件ANSYS/LS-DYNA对碰撞事故发生时液货与舷侧结构之间的耦合作用对结构损伤变形及结构碰撞性能展开了研究,并与一般碰撞方法（通过附加密度的方式处理液货）做了对比,主要研究内容与结论如下：（1）介绍了船舶碰撞问题的研究进展及现状,研究了考虑液体晃荡的船舶碰撞研究方法。阐述了关于非线性有限元方法的基本理论,并重点讨论了船舶碰撞仿真中所涉及的关键技术和处理技巧,为考虑液体晃荡下的船舶碰撞性能研究作了必要的准备工作。（2）采用非线性显示动力有限元软件ANSYS/LS-DYNA建立了两船发生侧向垂直碰撞的非线性有限元模型,分别利用两种模型对某VLCC船体舷侧结构碰撞进行了仿真研究,得到了碰撞力、结构损伤和能量随时间变化等关系曲线,对比分析了模型简化对碰撞性能的影响。（3）采用ANSYS/LS-DYNA研究了满载状态下某VLCC舱内液货对舷侧结构碰撞性能的影响,并与一般研究方法对比研究发现液体晃荡影响主要体现当撞击船球鼻艏触及被撞船内壳板后,舱内原油动压力较大,对结构碰撞性能产生了影响,舱内原油对球鼻艏的运动产生了明显的阻碍作用,使得相同撞深下球鼻艏速度减小得更快,同时由于原油与内舱壁的流固耦合作用,碰撞力提高,内壳板损伤的局部特性更加显著,损伤区损伤程度更为严重,造成内壳板提前破裂。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 研究对象及目标
• 1.2 国内外研究进展及现状
• 1.2.1 船舶碰撞问题概述
• 1.2.2 考虑液体晃荡影响的船舶碰撞现状
• 1.3 船舶碰撞研究方法
• 1.4 论文主要研究的内容
• 2 船舶碰撞计算有限元方法
• 2.1 引言
• 2.2 显式有限元方法的发展
• 2.2.1 非线性有限元软件ANSYS/LS-DYNA简介
• 2.3 非线性有限元控制方程
• 2.3.1 拉格朗日法中的控制方程
• 2.4 显式有限元求解方法
• 2.5 船舶碰撞仿真中的沙漏控制
• 2.6 船舶碰撞仿真中材料模型的选择
• 2.7 船舶碰撞仿真中接触算法和摩擦问题
• 2.7.1 接触面算法
• 2.7.2 摩擦力的影响
• 2.8 其他需要注意的问题
• 3 考虑液货的船舶碰撞数值仿真模型简化论证
• 3.1 引言
• 3.2 考虑液货船舶碰撞模型简化数值算例
• 3.2.1 碰撞情景确定
• 3.2.2 仿真建模方法
• 3.2.3 仿真中使用的材料模型
• 3.2.4 仿真中使用的单元类型
• 3.3 碰撞实体和有限元模型
• 3.4 仿真计算结果及分析
• 3.4.1 碰撞力比较
• 3.4.2 损伤变形比较
• 3.4.3 结构吸能比较
• 3.5 本章小结
• 4 考虑液货影响的船舶结构碰撞数值仿真技术及算例
• 4.1 引言
• 4.2 LS-DYNA程序中液固耦合算法
• 4.2.1 流固耦合问题分类
• 4.2.2 欧拉-拉格朗日耦合算法
• 4.2.3 液货状态方程
• 4.3 液货对船舶碰撞的性能影响仿真研究
• 4.3.1 碰撞有限元模型
• 4.4 仿真结果分析
• 4.4.1 舱内原油响应
• 4.4.2 撞击船运动
• 4.4.3 碰撞力分析
• 4.4.4 损伤变形分析
• 4.4.5 吸能分析
• 4.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢