海洋结构物作用下海冰破坏模式及冰载荷的离散元分析

论文摘要

随着人类在寒冷地区的资源开发活动日益频繁,海冰与海洋结构物的相互作用会对结构稳定性和人员安全造成严重威胁。为此,人们开展了针对海冰的物理力学性质及结构冰载荷的大量研究,其主要研究手段包括现场监测、模型试验和理论分析等。近年来,数值模拟方法在海冰与海洋结构相互作用过程的冰载荷计算中也得到了发展。由于海冰具有脆性材料的力学特性,传统的有限元方法难以准确描述海冰的破坏模式。离散元方法被广泛用于岩石、陶瓷、玻璃等脆性材料的破碎过程分析中,而采用具有粘结和失效功能的离散元方法可对海冰破碎、重叠和堆积等动力过程进行有效模拟。此外,采用基于GPU的并行计算技术可提高离散元模拟的计算效率和规模,使该方法可应用于海冰工程的大规模数值模拟中。目前,在离散元方法中建立合理的粘结模型和失效准则以描述海冰在与海洋结构相互作用过程中的力学行为,并揭示海冰破坏模式与结构冰载荷之间的关系,是离散元方法在海冰工程中的重要研究内容。本文采用面向海冰工程的离散元数值方法模拟海冰与海洋结构物间的相互作用过程,开展了离散元方法的粘结和失效准则、针对海冰材料的宏微观参数关系、基于GPU的并行算法等研究,重点分析了不同海洋结构类型和海冰参数下结构冰载荷特性及海冰破坏模式的变化规律。具体的研究工作可分为以下几点:(1)通过具有粘结功能的球体单元构造了海冰模型,分别对球体单元的平行粘结模型、拉剪分区断裂准则、混合断裂准则、线性接触模型和运动方程进行了详细说明,提出了基于GPU并行的离散元算法及其在工程海冰应用中的改进方法。(2)通过模拟海冰单轴压缩试验和三点弯曲试验,建立海冰强度与微观离散元参数之间关系,提出了由海冰的压缩强度和弯曲强度确定离散元颗粒单元间粘结强度及内摩擦系数的计算方法,并根据正交试验原理分析离散元参数对模拟结果的敏感性,确定重要参数的合理取值范围。(3)针对海冰与锥体结构作用过程进行模拟,将结构冰载荷和海冰破坏模式与渤海实测数据及汉堡试验数据进行对比,验证了离散元参数选取方法的可靠性。研究发现海冰与锥体结构相互作用时主要发生弯曲破坏,其破坏过程受到锥体倾斜角度、锥体直径、冰速、冰厚及冰锥作用位置等因素影响,可导致结构冰载荷的变化;从宏观海冰破碎裂纹的产生和扩展及微观颗粒单元间的粘结失效模式两个方面,对海冰破坏模式变化过程进行分析,并提出了锥体静冰力的计算公式。(4)采用拉剪分区断裂准则和考虑损伤的混合断裂准则分别模拟海冰与直立结构作用时海冰的破碎过程,对比结果表明混合断裂准则更适用于海冰挤压破碎过程的模拟。采用该方法研究冰速对其挤压破碎的影响,结果表明海冰在较高冰速下发生脆性挤压破坏,使结构产生随机振动:而在较低冰速下则会发生韧性挤压破坏,使结构产生稳态振动。结合冰载荷、结构振动、海冰与结构的相对运动速度及单元间粘结失效次数的变化特征,揭示了较低冰速下海冰韧脆转变的物理过程。由此说明海冰的挤压破坏过程不仅与自身力学性质有关,还受到结构振动的影响,从而验证了较低冰速下结构稳态振动具有自激振动特性。此外,在海冰与直立结构相互作用过程的离散元模拟中分析了结构上的冰压力分布特性,并深入研究了高压区的产生机理。(5)对核电站取水口浮冰的堆积作用及海冰与核动力浮式平台的相互作用过程进行离散元模拟。根据浮冰的形状特点构建其离散元模型,同时考虑了风和流作用下浮冰在取水口处的堆积过程。采用离散元方法分析了海冰的平均尺寸、密集度及流速三个因素对海冰堆积过程的影响,从而对海冰堆积高度进行了合理预判,降低了核电站取水口浮冰堆积造成的阻塞危险。核动力浮式平台在冰区作业时需要具有良好的抗冰性能,采用离散元方法模拟了海冰与其作用过程并分析了平台结构的冰载荷,为结构的抗冰设计提供了合理参考。最后,对海冰与海洋结构物相互作用的离散元分析工作进行了总结,并对后续工作的研究方向进行了展望。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 主要符号表
• 1 绪论
•   1.1 研究背景与意义
•   1.2 国内外研究进展
•     1.2.1 海冰的物理力学特性
•     1.2.2 海洋结构物的冰载荷
•     1.2.3 海冰的破坏模式
•     1.2.4 海洋结构物的冰压力分布
•     1.2.5 海冰离散元方法的发展现状
•   1.3 本文的主要工作
• 2 面向工程海冰的离散元方法
•   2.1 引言
•   2.2 球体颗粒单元的粘结与失效
•     2.2.1 球体单元的平行粘结模型
•     2.2.2 拉剪分区断裂准则
•     2.2.3 考虑损伤的混合断裂准则
•   2.3 球体颗粒单元的接触与运动
•     2.3.1 球体单元的接触模型
•     2.3.2 球体单元的运动方程
•   2.4 基于GPU并行离散元算法介绍及改进
•     2.4.1 基于CUDA编程的离散元算法
•     2.4.2 基于GPU的颗粒接触高效搜索方法
•     2.4.3 GPU计算效率的改进
•     2.4.4 海冰断裂长度的识别方法
•   2.5 小结
• 3 面向工程海冰的离散元参数研究
•   3.1 引言
•   3.2 海冰力学性质试验的离散元分析
•     3.2.1 海冰单轴压缩试验的离散元分析
•     3.2.2 海冰三点弯曲试验的离散元分析
•     3.2.3 海冰破坏模式与颗粒单元粘结失效的关系
•   3.3 离散元参数对海冰力学性质的影响
•     3.3.1 颗粒单元的尺寸效应
•     3.3.2 颗粒单元的粘结强度
•     3.3.3 颗粒单元的内摩擦系数
•     3.3.4 离散元参数与海冰强度之间关系
•   3.4 离散元参数的正交试验法分析
•     3.4.1 正交表的建立
•     3.4.2 离散元参数的敏感性分析
•     3.4.3 离散元参数的选取方法
•   3.5 小结
• 4 海冰与锥体结构相互作用的离散元分析
•   4.1 引言
•   4.2 海冰与锥体结构作用的离散元验证
•     4.2.1 与渤海实测数据的对比验证
•     4.2.2 与汉堡模型实验的对比验证
•   4.3 海冰断裂长度与冰载荷之间关系
•     4.3.1 海冰厚度的影响
•     4.3.2 海冰速度的影响
•     4.3.3 水线处锥径的影响
•     4.3.4 锥体结构静冰力公式
•   4.4 锥角对海冰破坏模式及冰载荷的影响
•     4.4.1 不同锥角的离散元模拟
•     4.4.2 锥角对海冰破坏模式的影响
•     4.4.3 锥体结构尺寸的选取依据
•   4.5 作用位置对海冰破坏模式及冰载荷的影响
•     4.5.1 海冰强度与温盐分布关系
•     4.5.2 正、倒锥体上的冰载荷的对比
•     4.5.3 正、倒锥体上海冰断裂长度的对比
•     4.5.4 海冰作用位置变化下的冰载荷分析
•     4.5.5 海冰作用于正倒锥交界处的破坏模式
•   4.6 小结
• 5 海冰与直立结构相互作用的离散元分析
•   5.1 引言
•   5.2 海冰与直立桩腿结构作用的离散元验证
•     5.2.1 渤海直立桩腿结构的冰载荷测量
•     5.2.2 离散元模拟直立结构的运动
•     5.2.3 离散元模拟与渤海实测数据的对比
•   5.3 冰速对海冰与直立结构作用的影响
•     5.3.1 较高冰速下海冰的脆性挤压破坏
•     5.3.2 较低冰速下海冰的韧性挤压破坏
•   5.4 海冰与直立平面结构作用的冰压力分布
•     5.4.1 离散元模拟与现场试验结果的对比
•     5.4.3 局部冰压力的分布特性
•   5.5 小结
• 6 海冰与核电工程结构相互作用的离散元分析
•   6.1 引言
•   6.2 核电站取水口海冰的堆积特性分析
•     6.2.1 核电取水口海冰堆积问题的数值模拟
•     6.2.2 海冰堆积特性的影响因素分析
•   6.3 核动力浮式平台的冰载荷分析
•     6.3.1 软刚臂单点系泊系统的数值模型
•     6.3.2 浮式平台结构的浮力及拖曳力计算
•     6.3.3 平整冰与系泊系统相互作用的离散元分析
•     6.3.4 浮冰与系泊系统相互作用的离散元分析
•   6.4 小结
• 7 结论与展望
•   7.1 结论
•   7.2 创新点
•   7.3 展望
• 参考文献
• 攻读博士学位期间科研项目及科研成果
• 致谢
• 作者简介

文章来源

类型: 博士论文

作者: 龙雪

导师: 王跃方,季顺迎

关键词: 海冰,离散元方法,并行计算,混合断裂准则,冰载荷,海冰破坏模式,海洋结构物

来源: 大连理工大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 海洋学,海洋学

单位: 大连理工大学

分类号: P75;P731.15

总页数: 170

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