【摘要】：在寒區(qū)海域,冰載荷是影響海洋結(jié)構(gòu)安全運(yùn)行的主要環(huán)境載荷之一,由其引起的冰激振動給海洋結(jié)構(gòu)及其上部生產(chǎn)設(shè)備帶來了嚴(yán)重危害。如何合理確定海洋結(jié)構(gòu)的冰激振動響應(yīng)是其結(jié)構(gòu)設(shè)計、疲勞分析以及安全預(yù)警的關(guān)鍵。海冰與海洋結(jié)構(gòu)相互作用過程中,同時涉及到海冰破碎的非連續(xù)介質(zhì)特性以及海洋結(jié)構(gòu)振動的連續(xù)介質(zhì)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(jié)構(gòu)冰激振動的數(shù)值方法。為分析寒區(qū)海洋結(jié)構(gòu)的冰激振動,本文建立了海冰與海洋結(jié)構(gòu)相互作用的離散元(DEM)-有限元(FEM)耦合模型。采用具有粘結(jié)-破碎性能的球體離散單元對海冰的破碎特性進(jìn)行模擬;通過由梁單元、平板型殼單元以及六面體實(shí)體單元構(gòu)建的海洋平臺有限元模型,獲得了結(jié)構(gòu)振動及應(yīng)力分布等信息;在DEM與FEM界面處實(shí)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(chǔ)上,通過DEM-FEM耦合模型對海洋平臺結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)-破碎性能的球體離散單元對其進(jìn)行描述。海洋結(jié)構(gòu)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(shí)體單元構(gòu)建。在耦合界面上發(fā)展了相應(yīng)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(yīng)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(jié)構(gòu)的應(yīng)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(dǎo)致的耗時問題,引入DDM的思想,根據(jù)結(jié)構(gòu)有限單元是否可能與離散單元接觸劃分子區(qū)域,實(shí)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(dǎo)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(jié)構(gòu)冰載荷以及冰激振動加速度,證明了該算法在模擬海洋結(jié)構(gòu)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(shù)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(jìn)行了 GPU并行化。本文分別采用海冰與錐體結(jié)構(gòu)的相互作用、懸臂梁橫向振動和彈性桿碰撞算例,對改進(jìn)后GPU并行算法的計算精度和效率進(jìn)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的冰載荷,分析討論了多樁結(jié)構(gòu)冰載荷遮蔽效應(yīng)的產(chǎn)生機(jī)理;對渤海多樁腿錐體和單樁腿錐體兩種導(dǎo)管架海洋平臺結(jié)構(gòu)的冰激振動特性進(jìn)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(yīng)的經(jīng)驗公式和實(shí)測數(shù)據(jù)對比,驗證了DEM-FEM耦合模型的合理性,模擬結(jié)果表明結(jié)構(gòu)冰激振動加速度與冰速和冰厚平方的乘積呈線性關(guān)系。最后,對DEM-FEM耦合方法以及寒區(qū)海洋結(jié)構(gòu)冰激振動的研究工作進(jìn)行了總結(jié),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(xué)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(jié)構(gòu)的質(zhì)量、阻尼和剛度；ｉｉ，邐和ｕ分別為結(jié)構(gòu)的振移；Ｖ「為海１冰速度；＆為海冰與結(jié)構(gòu)的作用力，由于海冰的壓縮強(qiáng)，因此可表示。假設(shè)結(jié)構(gòu)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(dāng)＃的負(fù)值大于阻尼常數(shù)時，“負(fù)阻尼”會影響結(jié)構(gòu)振動。逡逑ｄｕ逡逑

ＮｏｒｓｔｒＳｍｓｇｒｕｎｄ燈塔于１９７１年在Ｂｏｔｎｉａ灣設(shè)置，，燈塔的實(shí)際圖片和幾何結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(xué)位授予單位】：大連理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：P75

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2668873