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船舶与海洋工程结构冰载荷:离散元数值分析

作者：季顺迎，刘璐

出版社：科学出版社出版时间：2023-05-01

开本： B5 页数： 408

本类榜单：工业技术销量榜

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本书特色
内容简介
目录
节选

船舶与海洋工程结构冰载荷:离散元数值分析版权信息

ISBN：9787030731098
条形码：9787030731098 ; 978-7-03-073109-8
装帧：一般胶版纸
册数：暂无
重量：暂无
所属分类：
工业技术
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船舶与海洋工程结构冰载荷:离散元数值分析本书特色

该书主要面向极地海洋工程研究进行现场测量和数值研究成果的整理和总结，为我国开发和利用极地海洋提供依据和参考。

船舶与海洋工程结构冰载荷:离散元数值分析内容简介

针对目前国内外广泛开展的极地航运和海洋工程研究，本著作将从海冰物理力学性质、船舶及海洋工程结构冰载荷现场测量和数值方法、国内外相关规范和工程应用等方面进行系统深入的介绍，并重点介绍海冰载荷的离散元方法研究。此外，还将对目前国内外相关规范内容进行归纳，为相关技术人员的工程应用提供参考。该著作将反映当前国内外的近期新研究进展，为解决相关工程问题提供有力指导。

船舶与海洋工程结构冰载荷:离散元数值分析目录

目录
前言
第1章绪论 1
1.1 冰载荷数值方法研究进展 2
1.1.1 冰载荷的有限元方法及黏聚单元方法 2
1.1.2 冰载荷的近场动力学方法 3
1.1.3 冰载荷的光滑粒子流体动力学方法 6
1.1.4 冰载荷的环向裂纹法 7
1.2 海冰离散元方法研究进展 10
1.2.1 地球物理尺度下海冰离散元方法 11
1.2.2 浮冰尺度下海冰离散元方法 15
1.2.3 工程结构尺度下海冰离散元方法 25
1.2.4 材料性能尺度下海冰离散元方法 48
1.2.5 细观尺度下海冰的离散分布特性 53
1.2.6 冰载荷的高性能离散元并行算法及计算软件 55
1.3 基于离散元方法的冰载荷数值冰水池 57
1.3.1 面向冰载荷的数值冰水池研究框架 58
1.3.2 数值冰水池的软件实现 60
1.3.3 数值冰水池的试验验证 63
1.3.4 数值冰水池的初步应用 64
1.4 小结 69
参考文献 70
第2章船舶与海洋工程结构冰载荷离散元方法 81
2.1 海冰球体离散元方法及参数确定 81
2.1.1 球体单元间的接触和黏结模型 81
2.1.2 球体单元间的黏结失效准则 86
2.1.3 平行黏结模型的尺寸效应及黏结失效参数 90
2.2 海冰扩展多面体离散元方法 100
2.2.1 扩展多面体形态的海冰单元及接触模型 100
2.2.2 海冰单元间的黏结失效准则 103
2.2.3 海冰扩展多面体离散元的宏细观参数关系 107
2.3 海冰三维圆盘离散元方法 112
2.3.1 海冰三维圆盘单元的构造及接触判断 112
2.3.2 海冰圆盘单元的浮力计算及拖曳力 114
2.3.3 海冰圆盘单元与海洋结构物间的接触判断 118
2.4 海冰与工程结构耦合的DEM-FEM方法 120
2.4.1 海冰离散元与结构有限元的接触搜索算法 122
2.4.2 海冰离散元与结构有限元的界面耦合方法 126
2.4.3 DEM-FEM 耦合模型的验证 133
2.5 海冰与流体耦合的DEM-SPH方法 137
2.5.1 光滑粒子流体动力学方法 138
2.5.2 SPH粒子与扩展多面体单元的耦合算法 145
2.5.3 DEM-SPH耦合的数值模拟分析及结果验证 150
2.6 冰载荷的高性能离散元并行算法及计算分析软件 160
2.6.1 冰载荷的GPU并行算法 160
2.6.2 冰载荷离散元计算效率的提高途径 167
2.6.3 海冰离散元计算分析软件研发 172
2.7 小结 181
参考文献 182
第3章海冰离散元数值构造 187
3.1 海冰离散元构造方法简介 187
3.1.1 极地海冰的离散元构造方式 187
3.1.2 球体离散元的排列方式 189
3.2 平整冰的离散元构造 195
3.2.1 平整冰的球体离散元构造 195
3.2.2 平整冰的扩展多面体离散元构造 199
3.3 碎冰的离散元构造 204
3.3.1 基于二维Voronoi图的碎冰区构造 204
3.3.2 碎冰块的几何规则度 206
3.4 冰脊的离散元方法构造 213
3.4.1 冰脊的球体离散元方法 214
3.4.2 冰脊的扩展多面体离散元方法 223
3.5 小结 235
参考文献 235
第4章极地船舶结构冰载荷的离散元分析 239
4.1 碎冰区船舶航行的冰阻力及冰载荷 239
4.1.1 碎冰区船舶结构冰阻力 239
4.1.2 浮冰块对船舶结构冲击的冰载荷 256
4.2 平整冰区船舶航行的冰阻力及冰载荷 259
4.2.1 平整冰区船舶结构冰载荷 260
4.2.2 辅助破冰条件下的船体冰载荷 267
4.3 船舶冰区操纵性的离散元分析 273
4.3.1 船舶六自由度运动方程 274
4.3.2 船舶操纵航行运动模型 275
4.3.3 船舶操纵验证及破冰航行计算 276
4.3.4 极地船舶冰区操纵性能影响因素分析 278
4.4 单点系泊系统的冰载荷离散元分析 281
4.4.1 软刚臂单点系泊系统的数值模型 281
4.4.2 平整冰与单点系泊系统相互作用的离散元分析 282
4.4.3 碎冰与单点系泊系统相互作用的离散元分析 284
4.5 海冰与螺旋桨相互作用的离散元分析 287
4.5.1 海冰–螺旋桨的DEM-FEM耦合模型 288
4.5.2 海冰–螺旋桨切削过程的DEM-FEM耦合模拟 289
4.6 小结 295
参考文献 295
第5章海洋工程结构冰载荷的离散元分析 299
5.1 寒区海洋平台结构冰载荷分析 299
5.1.1 直立结构冰载荷的离散元分析 299
5.1.2 锥体海洋结构冰载荷的离散元分析 307
5.1.3 多桩腿海洋平台的冰载荷遮蔽效应 325
5.1.4 海冰与直立平面结构作用的冰压力分布 333
5.2 固定式海洋工程结构冰激振动响应分析 337
5.2.1 海上风电基础结构冰激振动分析 338
5.2.2 单桩海洋平台结构冰激振动特性分析 346
5.2.3 多桩腿海洋平台结构冰激振动的 DEM-FEM 耦合分析 354
5.3 浮式海洋平台结构冰载荷分析 363
5.3.1 Kulluk 浮式海洋平台的冰载荷分析 363
5.3.2 半潜式海洋平台结构的冰载荷分析 371
5.4 核电站取水口的海冰堆积模拟 378
5.4.1 核电站取水口海冰堆积的离散元模拟.378
5.4.2 海冰堆积特性的影响因素分析 381
5.5 重力式沉箱平台结构冰载荷的离散元分析 385
5.5.1 重力式沉箱结构模型简介 385
5.5.2 海冰与Molikpaq沉箱作用过程的模拟 387
5.5.3 海冰与JZ9-3沉箱作用过程的模拟 388
5.6 小结 392
参考文献 393

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船舶与海洋工程结构冰载荷:离散元数值分析节选

第1章绪论随着“一带一路”倡议的实施，我国对海上油气资源的开发利用由低纬度的渤海向高纬度的北极海域扩展，冰区海洋工程结构的抗冰设计、安全运行和疲劳分析问题得到更加广泛的关注。此外，随着我国渤海和北黄海冰区海域的风电和核电等新能源的开发和应用，对冰区海洋工程结构冰载荷及其引起的工程问题的研究更加迫切（朱本瑞等，2021;杨冬宝等，2021)o在我国渤海的冰区油气开发中，导管架和沉箱式海洋平台得到广泛应用（岳前进等，2011;Xu et al.，2015)，而在海洋环境条件更加恶劣的北极海域，半潜式钻井平台结构则有更强的适用性（张大勇等，2020)o由于自然条件下不同海域海冰条件的差异以及海洋平台结构类型的不同，冰载荷的特点及其引起的寒区海洋工程问题也有很大差别。此外，随着我国极地科学考察的广泛开展，以及北极航道的开通和窗口期的延长，船舶冰区航行的冰载荷及其导致的结构疲劳、风险预警等研究，也引起国内外的广泛关注(Janfien et al.，2017;刘瑜等，2019;Kong et al.，2021)。在极地船舶与海洋工程结构冰载荷的研究中，理论分析、现场测量、模型试验和数值模拟均发挥着重要作用，且相互补充，形成了完整的研究体系（Dempsey，2000;Huang et al.，2007;Wang et al.，2012)。冰载荷的数值模拟以理论模型和数值方法为依托，通过现场测量和模型试验进行可靠性验证，其在研究周期、经济成本、场景重现和细节剖析等方面具有出色的研究优势，一直得到广泛的关注和应用。在寒区船舶与海洋工程结构冰载荷的数值模拟中，人们发展了有限元方法(finite element method，FEM)(Kama et al.，1999;张健等，2013;王健伟和部早建，2015)、离散兀方法(discrete element method，DEM)(Tuhkuri and Polojarvi，2018;刘璐等，2019)、黏聚单元模型（Kuutti et al.，2013;Wang et al.，2018)、近场动力学（peridynamics，PD)(Ye et al.，2019;Xue et al.，2019)、环向裂纹法（Su et al”2010;Zhou et al.，2018)和光滑粒子流体动力学(Zhang et al.，2019)等诸多计算方法，从而对海冰与结构物耦合作用时的破坏过程、冰载荷动力特性进行精确的数值分析。其中，离散元方法自20世纪90年代开始应用于船舶与海洋工程结构冰载荷计算分析后，其由二维模型向三维模型、由圆盘单元向块体单元、由刚体碰撞计算向黏结-破坏分析不断发展，得到越来越广泛的重视和应用(Kim et al.，2019;LiuandJi，2020)=因此，针对海冰与船舶及海洋平台结构耦合作用中的海冰破坏模式、冰载荷动力特性和结构冰激振动响应等特性，对海冰离散元方法的进一步发展，可更好地模拟海冰的复杂力学行为，更准确地确定结构冰载荷和冰激结构力学响应。我们也注意到，海冰与极地船舶及海洋平台结构的相互作用，不仅涉及海冰不断发生断裂和破碎的动力过程，同时还与海水、结构发生耦合作用，从而使该动力过程呈现出多介质、多尺度的复杂动力学行为。由此，基于冰-水-结构耦合的冰载荷数值方法在近年取得了很大的研究进展（Janfien et al.，2017;王帅霖等，2019)，并将成为确定极地海洋工程结构冰载荷的更有效的重要研究方法。韩端锋等（2017)、徐莹等（2019)和Xue等（2020)分别从不同角度对目前冰载荷的数值方法进行了全面论述，均将海冰离散元方法作为重要研究途径和发展方向。因此，在目前离散元方法研究的基础上进一步发展适用于极地装备结构冰载荷的多介质、多尺度计算方法，具有重要的力学理论意义和工程应用前景。在冰载荷的离散元方法中，如何发展适用于工程尺度的大规模离散元计算，是目前国内外研究的重要热点。 1.1冰载荷数值方法研究进展目前，为确定船舶与海洋工程结构冰载荷，人们发展了有限元方法及黏聚单元方法（cohesive element method，CEM)、近场动力学方法、光滑粒子流体动力学方法、环向裂纹法以及离散元方法。本节对相关研究方法及相关模拟结果进行简要介绍，1.2节将对离散元方法的发展过程及工程应用进行详细阐述。 1.1.1冰载荷的有限元方法及黏聚单元方法碰撞是典型的非线性动态接触问题，具有高度非线性特点，需要较大的计算资源。采用有限元方法求解非线性动态接触问题时，主要可分为隐式求解和显式求解两种方法。根据每一时刻动力反应的计算是否需要求解线性方程组，可将直接积分法分为隐式积分方法和显式积分方法两类。相比于隐式方法的无条件稳定，显式方法为条件稳定，其需要满足精度要求的空间步距和积分稳定性要求的时间步距。因此，显式方法受条件稳定的限制，时间积分步长将取得较小。但计算经验表明，对于一些自由度数巨大且介质呈非线性的问题，显式法比隐式法所需的计算量要小得多。有限元方法的计算精度不仅与模型、网格、算法紧密相关，材料参数的正确定义对结果的可靠性也有决定性作用。在海冰材料的数值模拟中，国外研究开始较早。国内的船-冰相互作用研究起步相对较晚，但近些年也取得了出色的研究成果。张健等（2013)等采用修改后的Tasi-Wu屈服准则模拟了海冰与船体的碰撞;韩雷等丨2007)利用Raison失效准则模拟了冰排与海洋平台锥体结构的碰撞。图 1.1冰载荷数值方法研究进展 1.1.1是有限元软件LS-DYNA模拟的船-冰相互作用，其对冰层破坏、船首的变形及破坏均能达到较好的模拟效果(苏干，2016)。人们在有限元方法中基于内聚力模型发展了黏聚单元模型，其在混凝土、岩石等材料的力学分析中取得了良好的应用效果。Paavilainen等（2011)釆用黏聚单元模型模拟了平整冰和海洋结构物的相互作用。图1.1.2是釆用黏聚单元方法模拟的平整冰与锥体海洋结构的相互作用。该方法充分利用了有限元模拟材料变形、黏聚单元描述单元破碎的优势，但黏聚单元模型中的参数，如断裂能、断裂韧性、刚度等，难以直接确定，还需要进行更多的数值试验校核模型参数。 1.1.2冰载荷的近场动力学方法近场动力学（PD)方法是非局部连续方法，其以积分的形式构建物体的运动方程。近场动力学方法将物体离散成一系列具有独立质量、占有独立空间的物质点，而反过来大量物质点又能构成一个连续体。对每个物质点进行影响区域粒子的积分计算，求得物质点所受到的力、加速度、速度以及破坏程度等物理量，进而获得整个计算物体的运动和变形特点。由于该方法是以积分方程的形式表达的，而不是应用偏微分方程进行求解，故能很好地避免经典连续介质力学求解断裂问题的困难。因此，近场动力学方法非常适合于结构和材料的大尺度变形问题的求解，例如裂纹扩展和结构破坏等。釆用近场动力学对螺旋桨运动过程中与海冰的作用进行模拟，可对海冰受到的铣削作用、海冰破碎过程等进行有效模拟，如图1.1.3所示（Ye et al.，2017)。目前，近场动力学方法较为突出的问题是计算效率较低。由于质点与其不相邻的质点之间也存在相互作用，所以在描述相同的问题时近场动力学往往会有更多的相互作用关系，在质点数量较大时会消耗大量的计算资源。通常可以采用自适应的物质点分布来提髙计算效率，在破坏区域使用较密集的物质点分布，在不破坏的区域使用较为稀疏的物质点分布。同时，可以釆用近场动力学与有限元親合的方法进一步提髙计算效率，即采用有限元方法模拟不破坏区域，采用近场动力学方法模拟破坏区域，并建立有效方法来计算区域间的相互作用。图1.1.4为基于近场动力学与有限元耦合的船-冰相互作用模拟，模拟中能够充分描述海冰的环向、周向的裂纹，以及破碎海冰的脱落、滑移等过程，体现了近场动力学对海冰断裂、破碎过程模拟的有效性（Liu et al.，2018;Xue et al.，2019)。随着对北极地理和气候环境研究的深入，人们也逐渐深刻地认识到潜艇在北极的政治和军事价值。由于北极海冰的平均厚度可达到3m，其为潜艇的活动提供了特殊的隐蔽条件。冰区舰艇装备的发展，对于极地主权、航道之争以及战略部署至关重要（梁云芳等，2021)o研究潜艇破冰上浮过程及冰载荷的动态特性，可为潜艇壳体的设计和破冰厚度的选择提供支撑。为此，叶礼裕等（2018)基于近场动力学方法建立潜艇破冰上浮过程计算模型，并以美国国防部高级研究计划局(DARPA)潜艇模型SUBOFF为研究对象，开展了潜艇破冰上浮过程的数值模拟。在潜艇上浮破冰过程的近场动力学模拟中，海冰的动态断裂过程与美国核潜艇的破冰上浮结果基本一致（图1.1.5)，冰载荷的动态变化与实际情况相符合。 1.1.3冰载荷的光滑粒子流体动力学方法光滑粒子流体动力学（smoothedparticle hydrodynamics，SPH)方法*早用于天体运动模拟中，后在流体动力学模拟中被大量釆用，是计算流体力学（computational fluid dynamics，CFD)中无网格粒子类方法的典型代表。SPH方法是通过核估算式将一个偏微分方程转化为积分，然后这个积分方程在数值上通过一系列离散的粒子总和来逼近。SPH具有纯拉格朗日的优点，所有粒子都被视为物质点运动，故满足流体力学方程中的质量守恒定律、动量守恒定律和能量守恒定律。将固体材料的本构模型引入SPH方法中，也可对固体材料动力过程中的变形、断裂等进行模拟。釆用SPH方法对船-冰相互作用进行模拟，还可对船-冰-水流固耦合作用进行模拟，如图1.1.6所示。此夕卜，针对有限元方法与SPH的计算特点，Chen等(2021)将两种计算方法相结合，发展了海冰与锥体、船舶结构相互作用的FEM-SPH方法，计算结果如图1.1.7所示。虽然该方法可以模拟海冰与斜面结构作用

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