计及材料动态非线性的船舶搁浅损伤特性及搁浅后剩余强度评估研究

摘要

船舶搁浅是船舶营运过程中和海上障碍物发生的碰撞事故。随着世界经济贸易的发展，海上交通日益繁忙，航道越来越拥挤，船舶航速也在不断提高，导致船舶与海洋结构物碰撞搁浅事故越来越多，已逐渐成为主要的海难事故之一。船舶碰撞搁浅事故往往造成船体结构破损、货物泄漏、人员伤亡和环境污染等严重后果。因此，开展船舶搁浅损伤特性研究，准确预报船体结构在搁浅事故中的损伤特性，并评估损伤结构的剩余强度，可以为开展基于事故载荷的船体结构设计和相关搁浅事故营救、拖航方案的制定提供重要参考依据，进而降低搁浅事故所带来的危害，提高船体结构的安全性。
　　本文从保护海洋环境，提高船舶及人员安全性出发，旨在深入研究船舶在不同搁浅场景下的损伤变形机理和能量吸收机制，建立准确、高效、合理的船舶搁浅数值仿真分析技术及事故损伤船体剩余强度评估方法。
　　本文追踪国际上关于结构冲击问题的最新研究动向，从材料的静、动态力学性能出发，解决仿真分析的材料动态非线性输入问题，开展船体板架模型的落锤冲击试验，验证完善仿真分析技术，以此为基础，开展船舶硬/软搁浅损伤特性研究及损伤船体结构的剩余极限强度评估，取得了积极的成果。论文主要研究工作如下：
　　（1）总结整理了国内外关于船体构件冲击损伤机理、船舶搁浅损伤特性以及损伤船体剩余强度评估等方面的研究现状和研究方法，阐述了有待补充和完善的内容，提出本文研究意义及主要研究内容。
　　（2）开展了典型船用钢材的系列准静态及高速拉伸试验，以材料基本力学性能为基础，基于解析计算和仿真校准方法提出了材料硬化、失效应变、应变率敏感性等动态非线性参数的确定方法，完善了大型有限元分析程序在该方面的不足，形成了结构冲击非线性动态响应仿真分析技术，为船舶碰撞、搁浅等高能冲击问题的计算分析提供基础。
　　（3）设计加工了船体板架模型和支撑工装并确定了试验方案，利用大型落锤冲击试验系统开展了不同材料、不同型式典型船体板架结构的冲击试验，分析了板架结构的损伤变形机理，以此为基础，开展试验的仿真分析，验证、完善了计及材料非线性影响的数值仿真分析技术，并讨论了不同冲击参数对结构动态响应的影响规律。
　　（4）以159,000DWT油船舱段结构为研究对象，基于论文所提出的计及材料非线性的仿真分析技术，研究了船体结构在典型硬搁浅事故下的动态响应特性，分析了结构的损伤变形、搁浅载荷、能量吸收等参数，以此为基础，系统讨论了礁石形状和船舶冲击速度等对船体结构搁浅损伤特性的影响规律。研究结论对船舶硬搁浅事故分析及抗冲击结构设计有一定指导作用。
　　（5）在研究土体动态响应仿真分析方法的基础上，基于非线性有限元分析软件ABAQUS建立了船舶与土体耦合作用模型，并计算了船体结构在软搁浅事故下的动态响应特性，阐明了结构的损伤变形机理和能量吸收机制，在一定程度了拓展了国内外在相关领域的研究工作；同时，系统讨论了土壤参数和船舶冲击速度等对船体结构搁浅损伤特性的影响规律。
　　（6）分析了损伤结构剩余极限强度的计算方法，通过典型算例比较，形成了搁浅损伤船体剩余极限强度的分析方法。以此为基础，系统分析了软搁浅损伤船体结构剩余强度以及搁浅参数的影响规律。研究结论对开展考虑事故载荷的船体结构设计及事故船舶救援工作的开展有一定指导作用。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 研究背景和意义

1.2 国内外研究现状

1.3 本文主要工作及创新点

第二章 材料动态非线性影响的仿真修正校准方法研究

2.1 引言

2.2 船体结构材料性能试验及分析

2.3 材料动态非线性影响的仿真修正校准

2.4 本章小结

第三章 船体板架结构模型落锤冲击试验研究

3.1 引言

3.2 船体板架结构落锤冲击试验

3.3 船体板架结构落锤冲击试验仿真分析

3.4 不同参数对结构冲击响应的影响研究

3.5 本章小结

第四章 船舶硬搁浅损伤特性研究

4.1 引言

4.2 船舶碰撞搁浅非线性有限元仿真方法

4.3 船舶硬搁浅损伤机理研究

4.4 搁浅参数对船体结构搁浅损伤特性影响分析

4.5 本章小结

第五章 基于船-土耦合作用的船舶软搁浅损伤特性研究

5.1 引言

5.2 船舶软搁浅土体模拟数值仿真模型化技术

5.3 船体结构软搁浅损伤特性分析

5.4 各参数对船体结构搁浅损伤特性的影响分析

5.5 本章小结

第六章 船舶搁浅后剩余强度评估

6.1 引言

6.2 剩余极限强度

6.3 搁浅损伤船体剩余极限强度计算方法

6.4 软搁浅后船体结构剩余强度评估

6.5 本章小结

第七章 总结与展望

7.1 本文主要研究结论

7.2 展望

致谢

参考文献

攻读博士学位期间发表学术论文情况