【摘要】：在寒區(qū)海域,冰載荷是影響海洋結構安全運行的主要環(huán)境載荷之一,由其引起的冰激振動給海洋結構及其上部生產(chǎn)設備帶來了嚴重危害。如何合理確定海洋結構的冰激振動響應是其結構設計、疲勞分析以及安全預警的關鍵。海冰與海洋結構相互作用過程中,同時涉及到海冰破碎的非連續(xù)介質特性以及海洋結構振動的連續(xù)介質特性,給數(shù)值仿真帶來困難。為此,本文提出了一種針對海洋平臺結構冰激振動的數(shù)值方法。為分析寒區(qū)海洋結構的冰激振動,本文建立了海冰與海洋結構相互作用的離散元(DEM)-有限元(FEM)耦合模型。采用具有粘結-破碎性能的球體離散單元對海冰的破碎特性進行模擬;通過由梁單元、平板型殼單元以及六面體實體單元構建的海洋平臺有限元模型,獲得了結構振動及應力分布等信息;在DEM與FEM界面處實現(xiàn)了耦合參數(shù)的傳遞;為提高耦合模型的計算效率和規(guī)模,分別發(fā)展了基于區(qū)域分解法(DDM)的耦合模型以及基于GPU并行的高性能耦合模型;在此基礎上,通過DEM-FEM耦合模型對海洋平臺結構的冰激振動特性展開研究。本文的主要研究內(nèi)容如下:(1)海洋平臺結構冰激振動的DEM-FEM耦合模型針對海冰的破碎特性,采用具有粘結-破碎性能的球體離散單元對其進行描述。海洋結構有限單元模型分別通過梁單元、平板型殼單元以及六面體實體單元構建。在耦合界面上發(fā)展了相應的接觸算法和耦合參數(shù)傳遞算法。利用球體沖擊以及彈性桿碰撞算例驗證了DEM-FEM耦合模型的合理性。最后,將DEM-FEM耦合模型應用在船舶螺旋槳切削海冰的問題中,模擬了海冰-螺旋槳在空氣中的切削過程,分析了切削過程中海冰的破壞過程、冰載荷、螺旋槳結構的應力分布。(2)基于DDM的DEM-FEM耦合模型為解決DEM-FEM耦合模型中計算步長較小導致的耗時問題,引入DDM的思想,根據(jù)結構有限單元是否可能與離散單元接觸劃分子區(qū)域,實現(xiàn)了DEM-FEM耦合模型在不同計算區(qū)域采用不同計算時間步長。采用該方法模擬了海冰與錐體導管架海洋平臺的相互作用,通過對比不詞時間步比率下的結構冰載荷以及冰激振動加速度,證明了該算法在模擬海洋結構冰激振動中的穩(wěn)定性;通過對比不同時間比下的計算時間,表明了該算法的高效性。(3)基于GPU并行的DEM-FEM耦合算法為提高DEM-FEM耦合模型的計算效率和規(guī)模,采用GPU并行計算技術對離散單元與有限單元間的全局搜索、有限單元剛度陣組裝、動力方程求解以及界面耦合參數(shù)傳遞進行了 GPU并行化。本文分別采用海冰與錐體結構的相互作用、懸臂梁橫向振動和彈性桿碰撞算例,對改進后GPU并行算法的計算精度和效率進行了對比分析,其具有良好的計算精度和加速比。(4)海洋平臺結構的冰激振動特性研究基于DEM-FEM耦合模型對寒區(qū)海洋平臺結構的冰激振動特性展開分析,模擬了不同類型海洋平臺與海冰的相互作用。通過海冰DEM模型得到了不同冰向下多樁腿平臺結構的冰載荷,分析討論了多樁結構冰載荷遮蔽效應的產(chǎn)生機理;對渤海多樁腿錐體和單樁腿錐體兩種導管架海洋平臺結構的冰激振動特性進行了討論分析;將不同冰況下得到的冰載荷和冰激振動加速度與相應的經(jīng)驗公式和實測數(shù)據(jù)對比,驗證了DEM-FEM耦合模型的合理性,模擬結果表明結構冰激振動加速度與冰速和冰厚平方的乘積呈線性關系。最后,對DEM-FEM耦合方法以及寒區(qū)海洋結構冰激振動的研究工作進行了總結,討論了后續(xù)研究的主要問題。
【圖文】：

Ｆｉｇ．邋１．２邋Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ邋ｂｅｔｗｅｅｎ邋ｉｃｅ邋ｕｎｉａｘｉａｌ邋ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ邋ｓｔｒａｉｎ邋ｒａｔｅ邋ａｎｄ邋ｓｔｒｅｓｓａａｔｔａｎｅｎ（１９７８）給出了冰激自激振動的數(shù)學模型［３２］，對于單自由度的振ｍｕ邋＋邋ｃｉｉ邋＋邋ｋｕ邋—邋Ｆｇ邋（Ｖｊ邋—邋ｉｉ），Ｃ和Ａ：分別為結構的質量、阻尼和剛度；ｉｉ，邐和ｕ分別為結構的振移；Ｖ「為海１冰速度；＆為海冰與結構的作用力，由于海冰的壓縮強，因此可表示。假設結構發(fā)生小變形，將＾按ＴａｙｌｏｒＰｃ（ｖｉ邋－ｕ）邋￣邋Ｆｇ（ｖ0邋＋邋＾邋（－ｉｉ）式（１．２）帶入式（１．１）中，可寫作：逡逑ｍｉｌ邋＋邐ｉｉ邋＋邋ｋｕ邋＝邋ＦＧ（ｔ７ｊ）當＃的負值大于阻尼常數(shù)時，“負阻尼”會影響結構振動。逡逑ｄｕ逡逑

ＮｏｒｓｔｒＳｍｓｇｒｕｎｄ燈塔于１９７１年在Ｂｏｔｎｉａ灣設置，，燈塔的實際圖片和幾何結構如圖１．３逡逑所示。在１９７１－１９７２的冬季，燈塔上的工作人員觀察到冰與燈塔作用后，結構發(fā)生了劇逡逑烈的震蕩。在第一個冬季，監(jiān)測到該燈塔產(chǎn)生的最大振動加速度為０．１邋ｇ，頻率約為２．８邋Ｈｚ逡逑的振動１３９］。隨后，圍繞Ｎｏｒｓｔｒ６ｍｓｇｒｕｎｄ燈塔的冰激振動開展了一系列的研宄項目，如逡逑“ＬＯＬＥＩＦ”和“ＳＴＲＩＣＥ”＿。逡逑
【學位授予單位】：大連理工大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：P75

【參考文獻】

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本文編號：2668873