航行体出水破冰的多场耦合效应与相似律

航行体出水破冰中的耦合效应及载荷特征, 是出水冰结构安全性评估的重要依据. 针对航行体出水破冰问题, 通过量纲分析, 获得了影响航行体动载荷及头部应力的主控参数和相似律. 基于LS-DYNA流固耦合计算方法, 得到了航行体在不同冲击速度、冰层厚度、冰层大小条件下的载荷特性. 计算结果表明, 航行体速度越大, 不同冰层对其过载和头部应力的影响差别越大, 这主要是因为航行体速度越大, 通过水介质对不同冰层的前期破坏程度不同. 对于无限大冰层, 当其厚度大于3倍航行体直径时, 航行体穿冰后期呈现稳定侵彻现象, 航行体的过载和头部应力只与航行体的速度和冰的动力学性能相关; 而对于薄冰, 航行体速度越大, 其头部应力反而越小, 这是因为航行体初速度越大, 其通过水的运动对冰的前期冲击破坏越严重, 冰层易开裂上鼓, 所以造成航行体头部应力较小. 对于径向尺寸为6倍航行体直径的碎冰, 当其厚度大于5倍航行体直径时, 碎冰对航行体运动特性的影响和无限大冰层几乎相同; 而当其厚度小于3倍的航行体直径时, 只有在初速度较低时, 碎冰的尺寸效应才可以忽略. 此外, 对比碎冰和无限冰层对航行体运动的影响可以看出, 越厚的冰受前期水的冲击破坏越小, 碎冰和无限冰层的影响规律基本一致; 而较薄的冰在前期水的冲击下破坏严重, 碎冰和无限冰层对航行体运动的影响都较小; 只有中等厚度的冰, 在较高冲击速度下碎冰和无限冰层才表现出径向尺寸效应相关的破坏程度, 如无量纲厚度为3的两种冰在航行体较高初速度40 m/s的条件下前期破坏差别较大, 导致后期对航行体运动特性的影响具有显著差异.      

水动力作用下流冰撞击闸墩的动力响应研究

高寒地区河冰撞击河道的闸墩结构会产生极端冰载荷和冰激振动,水的动力效应使得碰撞过程更加复杂。采用任意拉格朗日-欧拉流固耦合方法,考虑作用在流冰和闸墩表面的流体力,建立了水-冰-闸墩耦合模型,探究了偶然极端条件下冰-闸墩碰撞的力学特性,设计了冰-砼碰撞实验。结果表明：冰-砼碰撞实验中,撞击力的模拟结果与实验结果吻合良好;对流固耦合的水动力效应分析发现,水-冰-闸墩耦合模型能够体现水的流体特性,在流冰撞击闸墩近场逼近过程中,初始时刻水的动力效应能够增加流冰的动能,撞击楔入闸墩过程中,水介质形成一个瞬态高压力场,产生水垫效应吸收冰体部分动能,从而抑制流冰运动;在不同流冰体积和压缩强度工况下,闸墩结构所承受的冰力随着流冰体积的增大而增大,流冰压缩强度对冰力的影响较小,流冰损伤与闸墩结构响应主要集中在碰撞接触区,流冰撞击闸墩结构引起冰激振动,流冰体积对闸墩振动加速度的影响较大,相同体积的流冰随着压缩强度的增大,振动幅值差异不明显,表明流冰体积是影响冰-闸墩碰撞的关键参数。     

基于ALE算法的V形楔形体入水的水动力特性分析

结构入水问题是一种复杂的流固耦合过程,涉及到固体力学、流体力学、冲击动力学和计算力学等相关力学分支的交叉与融合.论文基于非线性显式动力分析方法,采用任意拉格朗日-欧拉算法(水域采用欧拉描述,固体结构采用拉格朗日描述),并用罚函数方法控制结构与流体之间的耦合作用,对二维V形楔形体垂直入水的初期过程进行了数值仿真.通过数值仿真,分析了楔形体底部压力分布情况,讨论了网格密度、接触刚度以及阻尼系数对数值计算结果的影响,并将数值结果与Wagner理论解进行了对比分析,验证了ALE方法的可靠性.     

弹性梁式薄板在横向绕流中的大变形

采用相容拉格朗日-欧拉(ULE)法,给出了弹性薄板理想流体横向绕流条件下变形与应力的理论算法,其中:对固体采用拉格朗日法;对流体采用欧拉法;对相互接触面采用拉格朗日法和欧拉法.建立了不问断横向绕流条件下弹性梁式薄板的大弯曲变形的非线性微分方程.求解该方程时,将纵向位移分量和曲率的改变量用挠度表示.通过具体算例分析了各参数对悬臂梁式薄板挠度、纵向位移及应力大小的影响.理论解与数值解进行比较,验证了理论解的可靠性.     

大型水下浮体强度分析计算方法研究

采用内插算法开发了流固耦合网格转换软件HUSTM2M并提出了大型水下浮体在极限工况下强度分析的计算方法.建立大型水下浮体的流体计算网格以及结构计算网格,利用流体计算软件FLUENT进行流场分析,用流固耦合网格转换软件HUSTM2M将流体网格上的压力值转换到结构网格上,采用软件ABAQUS对结构物进行强度有限元分析.最后采用该计算方法分析由武钢研制的大型水下浮体在南海海域极限工况下的强度.算例表明该计算方法较为实用,具有潜在的工程应用价值.     

船舶与海洋平台结构冰载荷的高性能扩展多面体离散元方法

船舶与海洋平台结构的冰载荷是寒区海洋工程结构物设计中的关键参数,而离散元方法是有效计算结构冰载荷的重要手段. 本文采用基于闵可夫斯基和原理的扩展多面体离散元方法模拟船舶与海洋平台结构的相互作用过程. 其中,构造扩展多面体的近似包络函数并建立了基于优化模型的快速接触搜索算法;考虑单元间粘结作用的刚度软化过程建标识码元间的粘结-破碎模型. 同时,发展了 CPU-GPU 协同异构环境下的高性能并行算法. 为分析海冰与海洋结构作用中的冰载荷,采用ISO标准验证了扩展多面体离散元分析结构冰载荷的准确性. 采用离散元方法计算了船舶结构的冰载荷,研究了船舶结构表明的线载荷分布特点,并采用船舶结构冰阻力经验公式验证了计算结果的合理性. 采用离散元方法计算了平整冰区与多桩腿平台结构的相互作用,分析各桩腿上的冰载荷特点. 针对碎冰区的海冰管理过程,采用离散元方法分析了船舶结构绕行过程中的船舶和海洋平台结构冰载荷. 本文方法可有效应用于海洋结构冰载荷分析,能为极地船舶与海洋平台结构的设计和安全运行提供科学的分析手段.      

模拟滚弯非稳态过程的虚拟载荷法

采用传统的拉格朗日有限元模型模拟三辊滚弯的非稳态过程时,受到网格数量和接触算法的影响,计算效率难以提高.受计算流体力学的启发,将滚弯机跨内空间视作一维流场,工件挠曲线视作流场中的变量,采用欧拉观点建模,可以大大减小网格数量,同时降低接触处理的难度.将欧拉观点控制方程中的迁移项归结成一个附加的虚拟载荷,将其定义为型材空间构型不变而材料流动导致的内力不平衡量.通过引入该载荷,在经典平面梁单元的基础上稍加修改,得到适于小曲率滚弯模拟的欧拉单元平衡方程.算例表明,在相同网格尺寸下,虚拟载荷法和传统的有限元模拟结果均与理论解吻合良好;但前者的计算效率更高,结果更加光滑可靠.     

一种时域载荷识别数值算法及其不适定性研究

某结构在试验中,经历了持续时间很短的出水过程,试验中获得了该状态下关键位置响应的时间历程,需进行结构试验环境适应性分析。本文将杜哈梅卷积积分离散化,推导了时域内载荷与响应之间的传递函数矩阵;基于该传递矩阵的逆运算发展了一种时域内载荷识别方法,该方法在数值仿真过程中往往出现累计误差过大导致不收敛的现象,研究分析发现这属于反问题中典型的不适定性问题,并采用最速下降法有效克服了该不适定性问题;同时还考察了该算法在不同信噪比下的识别精度。研究结果表明,正弦、随机、半正弦冲击等多种载荷均获得了较准确的识别结果。本文提出的方法便于复杂工程结构有限元模型的应用。     

针对有砟道床动力特性分析的嵌入式离散元-有限元耦合方法

在离散元-有限元耦合方法中,离散元和有限元交界面处的耦合方式对整体有砟道床的力学行为影响显著.采用基于球形单元的镶嵌单元或粘结单元模拟有砟道床时,由于球形单元和有限单元表面的自锁能力较差,使道砟层在列车载荷作用下容易产生侧向滑移,导致数值模型不稳定.此外,在实际铁路道床中,底部道砟均不同程度地嵌入路堤.为此,发展了一种嵌入式离散元-有限元耦合方法,通过设置一层嵌入地基有限元模型中的球形颗粒传递离散元域和有限元域间的力学参数,实现离散元和有限元方法的耦合.数值结果表明,嵌入式离散元-有限元耦合模型能够有效降低有砟道床的侧向位移,数值结果更加稳定,在处理与有砟道床类似的连续介质与散体介质的耦合问题时推荐采用嵌入式耦合算法.     

求解三维流固耦合问题的一种全隐全耦合区域分解并行算法

三维流固耦合问题的非结构网格数值算法在很多工程领域都有重要应用, 目前现有的数值方法主要基于分区算法, 即流体和固体区域分别进行求解, 因此存在收敛速度较慢以及附加质量导致的稳定性问题, 此外, 该类算法的并行可扩展性不高, 在大规模应用计算方面也受到一定限制．本文针对三维非定常流固耦合问题, 提出一种基于区域分解的全隐全耦合可扩展并行算法．首先基于任意拉格朗日?欧拉框架建立流固耦合控制方程, 然后时间方向采用二阶向后差分隐式格式、空间方向采用非结构稳定化有限元方法进行离散．对于大规模非线性离散系统, 构造一种结合非精确Newton法、Krylov子空间迭代法与区域分解Schwarz预条件子的Newton-Krylov-Schwarz (NKS) 并行求解算法, 实现流体、固体和动网格方程的一次性整体求解．采用弹性障碍物绕流的标准测试算例对数值方法的准确性进行了验证, 数值性能测试结果显示本文构造的全隐全耦合算法具有良好的稳定性, 在不同的物理参数下具有良好的鲁棒性, 在“天河二号”超级计算机上, 当并行规模从192增加到3072个处理器核时获得了91%的并行效率．性能测试结果表明本文构造的NKS算法有望应用于复杂区域流固耦合问题的大规模数值模拟研究中．      

水位变化对正倒锥体冰载荷影响的离散元分析

在海冰与锥体海洋结构的相互作用过程中,潮汐水位变化时海冰作用于锥体结构的位置改变对冰载荷具有显著影响.本文采用具有粘结破碎功能的离散元方法计算海冰与锥体作用的破坏过程.同时考虑海冰上下表面温度差异对海冰强度的影响,将离散元计算冰载荷及海冰破坏模式与渤海现场实测数据进行对比验证.离散元结果表明,海冰与正锥和倒锥碰撞时均发生弯曲破坏,且冰载荷均随水线处锥径的增大而增大.在水线处锥径相同的情况下,正锥冰载荷大于倒锥冰载荷,而正锥作用下海冰的断裂长度则较小.基于离散元计算结果和渤海现场观测资料分析了海冰与正锥、倒锥作用时冰载荷和断裂长度差异的主要原因.海冰与正倒锥交界线处作用时,一般发生弯曲破坏.当冰层中心高度与正倒锥交界线的高度相同时,海冰才会发生局部挤压破碎,但冰荷载并没有明显升高.由此可见,倒锥体结构可有效降低冰载荷从而具有较好的抗冰性能.以上研究表明离散元方法可确定海冰与锥体结构作用时的海冰破碎规律和冰载荷特性,为海洋工程结构的抗冰设计提供参考依据.      

极地船舶冰区操纵性能的六自由度离散元分析

极地船舶操纵破冰性能是破冰船设计建造过程中需重点考虑的问题。为分析极地船舶操纵性能,本文发展了冰区船舶六自由度操纵破冰运动模型,采用扩展多面体离散元模拟海冰,舵桨操纵模型提供破冰力。开展平整冰区定常直航模拟计算,并与Lindqvist船体冰阻力经验公式展开对比验证;开展雪龙号敞水35°舵角操纵性仿真,并与实船试航结果进行对比。在此基础上,开展冰厚及舵角影响下的船体结构冰载荷及破冰轨迹计算,模拟得到操纵破冰航行中船体垂荡、横摇及纵摇运动时程;最后分析操纵破冰船体线载荷分布与直航破冰下的差异。     

基于DEM-FEM耦合方法的海上风机结构冰激振动分析

冰载荷是海上风机在寒区安全运行的重要影响因素之一,由其引发的冰激振动给风机结构带来了严重的危害. 本文通过离散元(discrete element method, DEM)-有限元(finiteelement method, FEM)耦合方法建立了寒区单桩式风机结构的 冰激振动模型.采用具有粘结-破碎性能的球体离散单元描述平整海冰损伤破坏行为,采用梁单元和三角形平板壳单元构造带有抗冰锥体的单桩式风机有限元模型.采用DEM-FEM耦合方法模拟不同冰速、冰厚条件下单桩式风机与平整冰相互作用过程,并且与IEC规范和ISO标准经验公式对比验证该耦合模型计算冰载荷的准确性.对比风机塔筒顶端和基础顶端的位移和加速度响 应时程,定性地给出风机结构不同部位振动响应行为差异性.风机不同部位动力特性差异原因为风机结构独特结构特点:下部为大刚度桩基和上部为高柔度塔筒,使其动力特征表现为主从式结构特性. “主-从式结构”特征使得结构在复杂的冰载荷作用下,风机塔筒(子结构)和桩基(主结构)表现为不同的响应行为,风机不同部位振动周期和加速度谱两者出现差异. 本文研究成果为海上风机抗冰设计和疲劳分析提供了有益参考.      

气垫平台破冰阻力的模型试验研究

通过开展低温拖曳冰水池物理模型试验,测试气垫平台在遭遇平整冰时的破冰过程和破冰阻力.在模型试验中,以一座现役破冰气垫平台为原型,建立了合理的模型试验相似律.依据相似律分别对原型平台的结构框架、气道结构、围裙结构和垫升系统等部分进行了模拟,从而得到一套与原型平台结构型式和垫升机制相似的模型平台.模型平台在试验拖车的拖曳下通过低温冰水池中的模型冰排,分别以垫升高度和航行速度为试验参数,对不同试验工况下气垫平台的破冰过程进行测试.通过对模型试验现象和结果的分析,深入解析了气垫平台的破冰过程,揭示了气垫平台的破冰机理.通过试验发现,非全垫升状态更有利于模型平台的破冰作业.气垫平台破冰的关键机理是在冰排底部形成稳定的气腔,从而促使冰排在结构的下压作用和气腔的上顶压力下发生弯曲破坏.在试验中测试了气垫平台破冰风压随结构姿态的变化,在时频域内对风压的变化情况进行了分析,并讨论了风压随航行速度的变化规律.以此为基础,对气垫平台破冰阻力随垫升高度和航行速度的变化规律进行分析,从而为该类气垫平台的结构设计和操船方法提供必要的基础性数据和参考依据.      

GPU-BASED DISCRETE ELEMENT MODELLING OF INTERACTION BETWEEN SEA ICE AND JACK-UP PLATFORM STRUCTURE

在海冰与自升式海洋平台结构的相互作用过程中,冰载荷是影响平台结构振动响应和疲劳寿命的重要因素. 采用具有粘接-破碎效应的离散元模型,可对海冰与自升式海洋平台结构作用中的海冰破碎特征及相应冰载荷进行数值分析. 针对自升式海洋平台的多桩腿结构特性及其冰载荷离散元分析的大规模计算需求,建立了基于GPU 的并行算法并开发了相应的计算程序. 为实现离散元分析的高效计算,采用网格排序方法创建单元邻居列表,以快速确定海冰单元间及其与平台结构间的接触模式和作用力. 此外,还发展了球体单元与圆柱形结构在不同接触形式下的计算模型. 为检验该离散元模型的有效性,对渤海锥体海洋平台结构的作用过程进行了计算,并与现场实测冰力数据进行了对比验证. 在此基础上对多桩腿自升式平台结构的冰载荷进行了离散元分析,获得了海冰的破坏特性,确定了不同桩腿上的冰力时程. 该模型可进一步应用于不同类型海洋结构的冰载荷分析,为冰区海洋平台的结构设计和现役平台结构的疲劳分析提供参考依据.     

海冰与自升式海洋平台相互作用GPU离散元模拟

在海冰与自升式海洋平台结构的相互作用过程中,冰载荷是影响平台结构振动响应和疲劳寿命的重要因素. 采用具有粘接-破碎效应的离散元模型,可对海冰与自升式海洋平台结构作用中的海冰破碎特征及相应冰载荷进行数值分析. 针对自升式海洋平台的多桩腿结构特性及其冰载荷离散元分析的大规模计算需求,建立了基于GPU 的并行算法并开发了相应的计算程序. 为实现离散元分析的高效计算,采用网格排序方法创建单元邻居列表,以快速确定海冰单元间及其与平台结构间的接触模式和作用力. 此外,还发展了球体单元与圆柱形结构在不同接触形式下的计算模型. 为检验该离散元模型的有效性,对渤海锥体海洋平台结构的作用过程进行了计算,并与现场实测冰力数据进行了对比验证. 在此基础上对多桩腿自升式平台结构的冰载荷进行了离散元分析,获得了海冰的破坏特性,确定了不同桩腿上的冰力时程. 该模型可进一步应用于不同类型海洋结构的冰载荷分析,为冰区海洋平台的结构设计和现役平台结构的疲劳分析提供参考依据.      

基于扩展多面体的离散单元法及其作用于圆桩的冰载荷计算

对于具有复杂几何形态的多面体单元,线性接触模型不能准确地计算不同接触模式下的作用力,且接触变形和作用力方向也不易判断.基于闵可夫斯基和(Minkowski sum)方法的扩展多面体单元能够准确描述非规则颗粒单元的几何形态,并可精确计算单元间的接触碰撞作用.该方法具有接触判断简单、计算效率高的特点.它将基本多面体和扩展球体相叠加以形成具有光滑棱边和角点的扩展多面体单元.考虑扩展多面体单元相互作用过程中角点、棱边和平面之间的不同接触模式,发展了相应的非线性黏弹性接触模型. 该接触模型将不同接触模型下的法向刚度统一表述为单元接触中接触点处等效曲率半径的函数;黏滞力和切向弹性力接触模型则借鉴球体单元非线性接触模型的处理方法. 为检验扩展多面体的可靠性,对碎冰区冰块对圆桩结构的冰载荷进行了离散元分析. 采用沃洛诺伊(Voronoi)切割算法获得了碎冰的初始随机分布状态,并考虑了海冰在运动过程中的海水浮力和拖曳力.计算表明该扩展多面体单元可描述海冰在海流拖曳下的运动过程以及圆桩结构的动冰力特性.在此基础上进一步分析了冰速和冰块尺寸对圆桩冰力的影响,并确定了冰力在圆桩上的分布规律. 最后,讨论了目前扩展多面体单元在计算冰载荷方面的局限性和改进方法.      

二维含裂纹结构与声耦合问题研究

应用分形有限元方法结合边界元方法研究了二维含裂纹结构和声耦合问题.采用二级分形有限元方法对含裂纹的弹性结构体进行离散处理,这样可以使得自由度数大大地减少;无限大外域声场的计算使用边界元方法,可以自动满足无穷远辐射条件.数值仿真算例结果表明:结构声耦合系统的共振频率随着裂纹深度的增加而下降;裂纹附近的声场所受的影响较为明显.     

ANALYSIS OF SHIP MANEUVERING PERFORMANCES AND ICE LOADS ON SHIP HULL WITH DISCRETE ELEMENT MODEL IN BROKEN-ICE FIELDS

采用离散元模型对碎冰区浮冰与船舶结构的相互作用进行了数值研究。碎冰由三维圆盘单元构成,并考虑其在海流作用下的浮力、拖曳力和附加质量。船体结构由一系列三角形单元组合构造。通过海冰与船体单元间的接触判断和接触力计算,确定海冰与船体结构之间的相互作用。采用以上离散单元模型对不同冰况（冰速、冰厚、冰块尺寸和密集度）以及航速条件下,海冰对船体的动力作用过程进行了数值分析,对比分析了以上因素对船体冰载荷的影响,可为冰区船舶的安全运行和结构设计提供一定的借鉴作用。