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船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)冰載荷:離散元數(shù)值分析 版權(quán)信息
- ISBN：9787030731098
- 條形碼：9787030731098 ; 978-7-03-073109-8
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數(shù)：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>>
船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)冰載荷:離散元數(shù)值分析 本書特色
該書主要面向極地海洋工程研究進行現(xiàn)場測量和數(shù)值研究成果的整理和總結(jié)，為我國開發(fā)和利用極地海洋提供依據(jù)和參考。
船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)冰載荷:離散元數(shù)值分析 內(nèi)容簡介
針對目前國內(nèi)外廣泛開展的極地航運和海洋工程研究，本著作將從海冰物理力學(xué)性質(zhì)、船舶及海洋工程結(jié)構(gòu)冰載荷現(xiàn)場測量和數(shù)值方法、國內(nèi)外相關(guān)規(guī)范和工程應(yīng)用等方面進行系統(tǒng)深入的介紹，并重點介紹海冰載荷的離散元方法研究。此外，還將對目前國內(nèi)外相關(guān)規(guī)范內(nèi)容進行歸納，為相關(guān)技術(shù)人員的工程應(yīng)用提供參考。該著作將反映當(dāng)前國內(nèi)外的近期新研究進展，為解決相關(guān)工程問題提供有力指導(dǎo)。
船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)冰載荷:離散元數(shù)值分析 目錄
目錄
前言
第1章 緒論 1
1.1 冰載荷數(shù)值方法研究進展 2
1.1.1 冰載荷的有限元方法及黏聚單元方法 2
1.1.2 冰載荷的近場動力學(xué)方法 3
1.1.3 冰載荷的光滑粒子流體動力學(xué)方法 6
1.1.4 冰載荷的環(huán)向裂紋法 7
1.2 海冰離散元方法研究進展 10
1.2.1 地球物理尺度下海冰離散元方法 11
1.2.2 浮冰尺度下海冰離散元方法 15
1.2.3 工程結(jié)構(gòu)尺度下海冰離散元方法 25
1.2.4 材料性能尺度下海冰離散元方法 48
1.2.5 細觀尺度下海冰的離散分布特性 53
1.2.6 冰載荷的高性能離散元并行算法及計算軟件 55
1.3 基于離散元方法的冰載荷數(shù)值冰水池 57
1.3.1 面向冰載荷的數(shù)值冰水池研究框架 58
1.3.2 數(shù)值冰水池的軟件實現(xiàn) 60
1.3.3 數(shù)值冰水池的試驗驗證 63
1.3.4 數(shù)值冰水池的初步應(yīng)用 64
1.4 小結(jié) 69
參考文獻 70
第2章 船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)冰載荷離散元方法 81
2.1 海冰球體離散元方法及參數(shù)確定 81
2.1.1 球體單元間的接觸和黏結(jié)模型 81
2.1.2 球體單元間的黏結(jié)失效準(zhǔn)則 86
2.1.3 平行黏結(jié)模型的尺寸效應(yīng)及黏結(jié)失效參數(shù) 90
2.2 海冰擴展多面體離散元方法 100
2.2.1 擴展多面體形態(tài)的海冰單元及接觸模型 100
2.2.2 海冰單元間的黏結(jié)失效準(zhǔn)則 103
2.2.3 海冰擴展多面體離散元的宏細觀參數(shù)關(guān)系 107
2.3 海冰三維圓盤離散元方法 112
2.3.1 海冰三維圓盤單元的構(gòu)造及接觸判斷 112
2.3.2 海冰圓盤單元的浮力計算及拖曳力 114
2.3.3 海冰圓盤單元與海洋結(jié)構(gòu)物間的接觸判斷 118
2.4 海冰與工程結(jié)構(gòu)耦合的DEM-FEM方法 120
2.4.1 海冰離散元與結(jié)構(gòu)有限元的接觸搜索算法 122
2.4.2 海冰離散元與結(jié)構(gòu)有限元的界面耦合方法 126
2.4.3 DEM-FEM 耦合模型的驗證 133
2.5 海冰與流體耦合的DEM-SPH方法 137
2.5.1 光滑粒子流體動力學(xué)方法 138
2.5.2 SPH粒子與擴展多面體單元的耦合算法 145
2.5.3 DEM-SPH耦合的數(shù)值模擬分析及結(jié)果驗證 150
2.6 冰載荷的高性能離散元并行算法及計算分析軟件 160
2.6.1 冰載荷的GPU并行算法 160
2.6.2 冰載荷離散元計算效率的提高途徑 167
2.6.3 海冰離散元計算分析軟件研發(fā) 172
2.7 小結(jié) 181
參考文獻 182
第3章 海冰離散元數(shù)值構(gòu)造 187
3.1 海冰離散元構(gòu)造方法簡介 187
3.1.1 極地海冰的離散元構(gòu)造方式 187
3.1.2 球體離散元的排列方式 189
3.2 平整冰的離散元構(gòu)造 195
3.2.1 平整冰的球體離散元構(gòu)造 195
3.2.2 平整冰的擴展多面體離散元構(gòu)造 199
3.3 碎冰的離散元構(gòu)造 204
3.3.1 基于二維Voronoi圖的碎冰區(qū)構(gòu)造 204
3.3.2 碎冰塊的幾何規(guī)則度 206
3.4 冰脊的離散元方法構(gòu)造 213
3.4.1 冰脊的球體離散元方法 214
3.4.2 冰脊的擴展多面體離散元方法 223
3.5 小結(jié) 235
參考文獻 235
第4章 極地船舶結(jié)構(gòu)冰載荷的離散元分析 239
4.1 碎冰區(qū)船舶航行的冰阻力及冰載荷 239
4.1.1 碎冰區(qū)船舶結(jié)構(gòu)冰阻力 239
4.1.2 浮冰塊對船舶結(jié)構(gòu)沖擊的冰載荷 256
4.2 平整冰區(qū)船舶航行的冰阻力及冰載荷 259
4.2.1 平整冰區(qū)船舶結(jié)構(gòu)冰載荷 260
4.2.2 輔助破冰條件下的船體冰載荷 267
4.3 船舶冰區(qū)操縱性的離散元分析 273
4.3.1 船舶六自由度運動方程 274
4.3.2 船舶操縱航行運動模型 275
4.3.3 船舶操縱驗證及破冰航行計算 276
4.3.4 極地船舶冰區(qū)操縱性能影響因素分析 278
4.4 單點系泊系統(tǒng)的冰載荷離散元分析 281
4.4.1 軟剛臂單點系泊系統(tǒng)的數(shù)值模型 281
4.4.2 平整冰與單點系泊系統(tǒng)相互作用的離散元分析 282
4.4.3 碎冰與單點系泊系統(tǒng)相互作用的離散元分析 284
4.5 海冰與螺旋槳相互作用的離散元分析 287
4.5.1 海冰–螺旋槳的DEM-FEM耦合模型 288
4.5.2 海冰–螺旋槳切削過程的DEM-FEM耦合模擬 289
4.6 小結(jié) 295
參考文獻 295
第5章 海洋工程結(jié)構(gòu)冰載荷的離散元分析 299
5.1 寒區(qū)海洋平臺結(jié)構(gòu)冰載荷分析 299
5.1.1 直立結(jié)構(gòu)冰載荷的離散元分析 299
5.1.2 錐體海洋結(jié)構(gòu)冰載荷的離散元分析 307
5.1.3 多樁腿海洋平臺的冰載荷遮蔽效應(yīng) 325
5.1.4 海冰與直立平面結(jié)構(gòu)作用的冰壓力分布 333
5.2 固定式海洋工程結(jié)構(gòu)冰激振動響應(yīng)分析 337
5.2.1 海上風(fēng)電基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)冰激振動分析 338
5.2.2 單樁海洋平臺結(jié)構(gòu)冰激振動特性分析 346
5.2.3 多樁腿海洋平臺結(jié)構(gòu)冰激振動的 DEM-FEM 耦合分析 354
5.3 浮式海洋平臺結(jié)構(gòu)冰載荷分析 363
5.3.1 Kulluk 浮式海洋平臺的冰載荷分析 363
5.3.2 半潛式海洋平臺結(jié)構(gòu)的冰載荷分析 371
5.4 核電站取水口的海冰堆積模擬 378
5.4.1 核電站取水口海冰堆積的離散元模擬.378
5.4.2 海冰堆積特性的影響因素分析 381
5.5 重力式沉箱平臺結(jié)構(gòu)冰載荷的離散元分析 385
5.5.1 重力式沉箱結(jié)構(gòu)模型簡介 385
5.5.2 海冰與Molikpaq沉箱作用過程的模擬 387
5.5.3 海冰與JZ9-3沉箱作用過程的模擬 388
5.6 小結(jié) 392
參考文獻 393
展開全部
船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)冰載荷:離散元數(shù)值分析 節(jié)選
第1章緒論 隨著“一帶一路”倡議的實施，我國對海上油氣資源的開發(fā)利用由低緯度的渤海向高緯度的北極海域擴展，冰區(qū)海洋工程結(jié)構(gòu)的抗冰設(shè)計、安全運行和疲勞分析問題得到更加廣泛的關(guān)注。此外，隨著我國渤海和北黃海冰區(qū)海域的風(fēng)電和核電等新能源的開發(fā)和應(yīng)用，對冰區(qū)海洋工程結(jié)構(gòu)冰載荷及其引起的工程問題的研究更加迫切（朱本瑞等，2021;楊冬寶等，2021)o在我國渤海的冰區(qū)油氣開發(fā)中，導(dǎo)管架和沉箱式海洋平臺得到廣泛應(yīng)用（岳前進等，2011;Xu et al.，2015)，而在海洋環(huán)境條件更加惡劣的北極海域，半潛式鉆井平臺結(jié)構(gòu)則有更強的適用性（張大勇等，2020)o由于自然條件下不同海域海冰條件的差異以及海洋平臺結(jié)構(gòu)類型的不同，冰載荷的特點及其引起的寒區(qū)海洋工程問題也有很大差別。此外，隨著我國極地科學(xué)考察的廣泛開展，以及北極航道的開通和窗口期的延長，船舶冰區(qū)航行的冰載荷及其導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)疲勞、風(fēng)險預(yù)警等研究，也引起國內(nèi)外的廣泛關(guān)注(Janfien et al.，2017;劉瑜等，2019;Kong et al.，2021)。 在極地船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)冰載荷的研究中，理論分析、現(xiàn)場測量、模型試驗和數(shù)值模擬均發(fā)揮著重要作用，且相互補充，形成了完整的研究體系（Dempsey，2000;Huang et al.，2007;Wang et al.，2012)。冰載荷的數(shù)值模擬以理論模型和數(shù)值方法為依托，通過現(xiàn)場測量和模型試驗進行可靠性驗證，其在研究周期、經(jīng)濟成本、場景重現(xiàn)和細節(jié)剖析等方面具有出色的研究優(yōu)勢，一直得到廣泛的關(guān)注和應(yīng)用。在寒區(qū)船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)冰載荷的數(shù)值模擬中，人們發(fā)展了有限元方法(finite element method，F(xiàn)EM)(Kama et al.，1999;張健等，2013;王健偉和部早建，2015)、離散兀方法(discrete element method，DEM)(Tuhkuri and Polojarvi，2018;劉璐等，2019)、黏聚單元模型（Kuutti et al.，2013;Wang et al.，2018)、近場動力學(xué)（peridynamics，PD)(Ye et al.，2019;Xue et al.，2019)、環(huán)向裂紋法（Su et al”2010;Zhou et al.，2018)和光滑粒子流體動力學(xué)(Zhang et al.，2019)等諸多計算方法，從而對海冰與結(jié)構(gòu)物耦合作用時的破壞過程、冰載荷動力特性進行精確的數(shù)值分析。其中，離散元方法自20世紀90年代開始應(yīng)用于船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)冰載荷計算分析后，其由二維模型向三維模型、由圓盤單元向塊體單元、由剛體碰撞計算向黏結(jié)-破壞分析不斷發(fā)展，得到越來越廣泛的重視和應(yīng)用(Kim et al.，2019;LiuandJi，2020)=因此，針對海冰與船舶及海洋平臺結(jié)構(gòu)耦合作用中的海冰破壞模式、冰載荷動力特性和結(jié)構(gòu)冰激振動響應(yīng)等特性，對海冰離散元方法的進一步發(fā)展，可更好地模擬海冰的復(fù)雜力學(xué)行為，更準(zhǔn)確地確定結(jié)構(gòu)冰載荷和冰激結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)。 我們也注意到，海冰與極地船舶及海洋平臺結(jié)構(gòu)的相互作用，不僅涉及海冰不斷發(fā)生斷裂和破碎的動力過程，同時還與海水、結(jié)構(gòu)發(fā)生耦合作用，從而使該動力過程呈現(xiàn)出多介質(zhì)、多尺度的復(fù)雜動力學(xué)行為。由此，基于冰-水-結(jié)構(gòu)耦合的冰載荷數(shù)值方法在近年取得了很大的研究進展（Janfien et al.，2017;王帥霖等，2019)，并將成為確定極地海洋工程結(jié)構(gòu)冰載荷的更有效的重要研究方法。韓端鋒等（2017)、徐瑩等（2019)和Xue等（2020)分別從不同角度對目前冰載荷的數(shù)值方法進行了全面論述，均將海冰離散元方法作為重要研究途徑和發(fā)展方向。因此，在目前離散元方法研究的基礎(chǔ)上進一步發(fā)展適用于極地裝備結(jié)構(gòu)冰載荷的多介質(zhì)、多尺度計算方法，具有重要的力學(xué)理論意義和工程應(yīng)用前景。在冰載荷的離散元方法中，如何發(fā)展適用于工程尺度的大規(guī)模離散元計算，是目前國內(nèi)外研究的重要熱點。 1.1冰載荷數(shù)值方法研究進展 目前，為確定船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)冰載荷，人們發(fā)展了有限元方法及黏聚單元方法（cohesive element method，CEM)、近場動力學(xué)方法、光滑粒子流體動力學(xué)方法、環(huán)向裂紋法以及離散元方法。本節(jié)對相關(guān)研究方法及相關(guān)模擬結(jié)果進行簡要介紹，1.2節(jié)將對離散元方法的發(fā)展過程及工程應(yīng)用進行詳細闡述。 1.1.1冰載荷的有限元方法及黏聚單元方法 碰撞是典型的非線性動態(tài)接觸問題，具有高度非線性特點，需要較大的計算資源。采用有限元方法求解非線性動態(tài)接觸問題時，主要可分為隱式求解和顯式求解兩種方法。根據(jù)每一時刻動力反應(yīng)的計算是否需要求解線性方程組，可將直接積分法分為隱式積分方法和顯式積分方法兩類。相比于隱式方法的無條件穩(wěn)定，顯式方法為條件穩(wěn)定，其需要滿足精度要求的空間步距和積分穩(wěn)定性要求的時間步距。因此，顯式方法受條件穩(wěn)定的限制，時間積分步長將取得較小。但計算經(jīng)驗表明，對于一些自由度數(shù)巨大且介質(zhì)呈非線性的問題，顯式法比隱式法所需的計算量要小得多。 有限元方法的計算精度不僅與模型、網(wǎng)格、算法緊密相關(guān)，材料參數(shù)的正確定義對結(jié)果的可靠性也有決定性作用。在海冰材料的數(shù)值模擬中，國外研究開始較早。國內(nèi)的船-冰相互作用研究起步相對較晚，但近些年也取得了出色的研究成果。張健等（2013)等采用修改后的Tasi-Wu屈服準(zhǔn)則模擬了海冰與船體的碰撞;韓雷等丨2007)利用Raison失效準(zhǔn)則模擬了冰排與海洋平臺錐體結(jié)構(gòu)的碰撞。圖 1.1冰載荷數(shù)值方法研究進展 1.1.1是有限元軟件LS-DYNA模擬的船-冰相互作用，其對冰層破壞、船首的變形及破壞均能達到較好的模擬效果(蘇干，2016)。 人們在有限元方法中基于內(nèi)聚力模型發(fā)展了黏聚單元模型，其在混凝土、巖石等材料的力學(xué)分析中取得了良好的應(yīng)用效果。Paavilainen等（2011)釆用黏聚單元模型模擬了平整冰和海洋結(jié)構(gòu)物的相互作用。圖1.1.2是釆用黏聚單元方法模擬的平整冰與錐體海洋結(jié)構(gòu)的相互作用。該方法充分利用了有限元模擬材料變形、黏聚單元描述單元破碎的優(yōu)勢，但黏聚單元模型中的參數(shù)，如斷裂能、斷裂韌性、剛度等，難以直接確定，還需要進行更多的數(shù)值試驗校核模型參數(shù)。 1.1.2冰載荷的近場動力學(xué)方法 近場動力學(xué)（PD)方法是非局部連續(xù)方法，其以積分的形式構(gòu)建物體的運動方程。近場動力學(xué)方法將物體離散成一系列具有獨立質(zhì)量、占有獨立空間的物質(zhì)點，而反過來大量物質(zhì)點又能構(gòu)成一個連續(xù)體。對每個物質(zhì)點進行影響區(qū)域粒子的積分計算，求得物質(zhì)點所受到的力、加速度、速度以及破壞程度等物理量，進而獲得整個計算物體的運動和變形特點。由于該方法是以積分方程的形式表達的，而不是應(yīng)用偏微分方程進行求解，故能很好地避免經(jīng)典連續(xù)介質(zhì)力學(xué)求解斷裂問題的困難。因此，近場動力學(xué)方法非常適合于結(jié)構(gòu)和材料的大尺度變形問題的求解，例如裂紋擴展和結(jié)構(gòu)破壞等。 釆用近場動力學(xué)對螺旋槳運動過程中與海冰的作用進行模擬，可對海冰受到的銑削作用、海冰破碎過程等進行有效模擬，如圖1.1.3所示（Ye et al.，2017)。 目前，近場動力學(xué)方法較為突出的問題是計算效率較低。由于質(zhì)點與其不相鄰的質(zhì)點之間也存在相互作用，所以在描述相同的問題時近場動力學(xué)往往會有更多的相互作用關(guān)系，在質(zhì)點數(shù)量較大時會消耗大量的計算資源。通常可以采用自適應(yīng)的物質(zhì)點分布來提髙計算效率，在破壞區(qū)域使用較密集的物質(zhì)點分布，在不破壞的區(qū)域使用較為稀疏的物質(zhì)點分布。同時，可以釆用近場動力學(xué)與有限元親合的方法進一步提髙計算效率，即采用有限元方法模擬不破壞區(qū)域，采用近場動力學(xué)方法模擬破壞區(qū)域，并建立有效方法來計算區(qū)域間的相互作用。圖1.1.4為基于近場動力學(xué)與有限元耦合的船-冰相互作用模擬，模擬中能夠充分描述海冰的環(huán)向、周向的裂紋，以及破碎海冰的脫落、滑移等過程，體現(xiàn)了近場動力學(xué)對海冰斷裂、破碎過程模擬的有效性（Liu et al.，2018;Xue et al.，2019)。 隨著對北極地理和氣候環(huán)境研究的深入，人們也逐漸深刻地認識到潛艇在北極的政治和軍事價值。由于北極海冰的平均厚度可達到3m，其為潛艇的活動提供了特殊的隱蔽條件。冰區(qū)艦艇裝備的發(fā)展，對于極地主權(quán)、航道之爭以及戰(zhàn)略部署至關(guān)重要（梁云芳等，2021)o研究潛艇破冰上浮過程及冰載荷的動態(tài)特性，可為潛艇殼體的設(shè)計和破冰厚度的選擇提供支撐。為此，葉禮裕等（2018)基于近場動力學(xué)方法建立潛艇破冰上浮過程計算模型，并以美國國防部高級研究計劃局(DARPA)潛艇模型SUBOFF為研究對象，開展了潛艇破冰上浮過程的數(shù)值模擬。在潛艇上浮破冰過程的近場動力學(xué)模擬中，海冰的動態(tài)斷裂過程與美國核潛艇的破冰上浮結(jié)果基本一致（圖1.1.5)，冰載荷的動態(tài)變化與實際情況相符合。 1.1.3冰載荷的光滑粒子流體動力學(xué)方法 光滑粒子流體動力學(xué)（smoothedparticle hydrodynamics，SPH)方法*早用于天體運動模擬中，后在流體動力學(xué)模擬中被大量釆用，是計算流體力學(xué)（computational fluid dynamics，CFD)中無網(wǎng)格粒子類方法的典型代表。SPH方法是通過核估算式將一個偏微分方程轉(zhuǎn)化為積分，然后這個積分方程在數(shù)值上通過一系列離散的粒子總和來逼近。SPH具有純拉格朗日的優(yōu)點，所有粒子都被視為物質(zhì)點運動，故滿足流體力學(xué)方程中的質(zhì)量守恒定律、動量守恒定律和能量守恒定律。將固體材料的本構(gòu)模型引入SPH方法中，也可對固體材料動力過程中的變形、斷裂等進行模擬。 釆用SPH方法對船-冰相互作用進行模擬，還可對船-冰-水流固耦合作用進行模擬，如圖1.1.6所示。此夕卜，針對有限元方法與SPH的計算特點，Chen等(2021)將兩種計算方法相結(jié)合，發(fā)展了海冰與錐體、船舶結(jié)構(gòu)相互作用的FEM-SPH方法，計算結(jié)果如圖1.1.7所示。雖然該方法可以模擬海冰與斜面結(jié)構(gòu)作用
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