基于SPH方法的船-冰相互作用仿真分析研究

摘要

近年来，全球温度升高，极地冰雪加速融化，人类将目光转向极地开发和利用，具有破冰能力的船舶在此问题上发挥了极大的作用。极地航行过程中，船-冰间的相互作用是一种极其复杂的物理过程，目前仍然没有一种理论方法能够准确有效的对此过程进行描述。随着计算机技术的发展，利用有限元软件模拟船-冰间的相互作用成为一种可靠方法。传统有限元模拟过程中，海冰网格承受极大应力会发生扭曲、畸变现象，可能导致终止计算的问题发生。单元侵蚀技术虽然可以避免畸变问题但会产生能量损失和改变物体边界，影响计算结果的准确性。基于以上问题，本文对船-冰相互作用提出了一套基于无网格方法的船-冰相互作用仿真分析方法。
　　本文的主要工作有以下几点：
　　1.针对考虑塑性的海冰本构模型，对屈服前的力学模型、海冰破坏准则和流动法则进行深入研究，提出三种不同本构模型，并分析其在船-冰碰撞过程中的适用性。
　　2.将 SPH引入船-冰碰撞数值仿真方法。详细描述船-冰碰撞基本过程，简要介绍SPH方法的基础理论，利用SPH、FEM耦合方法高效且准确模拟船-冰碰撞过程，对比传统有限元方法，分析其优缺点和适用性。
　　3.利用 SPH-FEM耦合方法进行水介质中船-冰碰撞的数值仿真。考虑船舶航速、碰撞角度、冰排厚度等碰撞关键因素对碰撞力、破损情况等影响规律进行简要分析。
　　4.运用非线性动态分析方法校核船舶破冰过程中的结构安全，研究不同工况下船体结构响应，并与准静态方法的计算结果进行对比和分析。研究冰区船舶破冰过程中船体梁载荷，分析船舶总纵强度并与冰区船舶强度规范进行对比。

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第1章 绪论

1.1 课题的研究背景及意义

1.2 课题的国内外研究现状

1.3 课题的研究内容

第2章 考虑塑性的海冰本构模型研究

2.1概述

2.2弹塑性海冰本构模型

2.3粘塑性海冰本构模型

2.4粘弹-塑性海冰本构模型

2.5几种海冰本构模型的对比分析

2.6本章小结

第3章 船-冰碰撞理论与SPH方法

3.1概述

3.2船-冰碰撞有限元基本理论

3.3 SPH方法基础理论

3.4本章小结

第4章 基于SPH-FEM耦合的船-冰碰撞数值仿真分析

4.1 概述

4.2 船-冰碰撞模型建立方法

4.3 船-冰碰撞模拟关键参数影响分析

4.4 船-冰碰撞仿真方法对比分析

4.5本章小结

第5章 冰区船舶强度分析

5.1 概述

5.2 冰区船舶局部结构强度评估

5.3 冰区船舶总纵强度评估

5.4 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢