FPSO舷侧结构抗撞性能的解析计算研究

FPSO的舷侧结构受到船舶撞击会导致漏油等严重事故,因此在结构设计中必须对FPSO的抗撞性予以足够的重视。在初步设计中,解析计算方法的应用可以显著提高结构设计效率。该文在对船侧结构碰撞机理的解析研究基础上,提出一个适用于FPSO舷侧结构抗撞性分析的解析计算方法,能够针对FPSO船体外板、纵桁、肋框和内板结构在撞击场景下的结构损伤变形和变形阻力,开展解析计算。研究中针对FPSO舷侧结构,定义了带有球鼻艏的船舶撞击FPSO舷侧结构的三种典型碰撞场景,验证该解析计算方法的准确性,提高其在FPSO舷侧结构设计中的适用性。     

楔形船艏撞击舷侧外板的结构响应分析

楔形船艏是船舶最常见的设计之一,船舶的舷侧结构遭受楔形船艏撞击事故时有发生,因而船侧外板结构的抗撞性能应予以足够重视。以船舶舷侧外板为研究对象,运用塑性力学理论和数值仿真技术,分析了舷侧外板结构在受到楔形船艏的撞击时的变形损伤机理;研究中应用LS_DYNA仿真模拟得到舷侧外板的变形模态和能量耗散情况,在此基础上建立起舷侧外板塑性变形的几何数学模型。运用塑性力学理论得到舷侧外板在变形过程中变形阻力的解析计算公式,经数值仿真验证其准确性;研究成果对船舶舷侧抗撞性结构设计具有指导意义。     

一种船舶舷侧外板骨材抗撞性能解析预报模型

以典型的船舶舷侧外板上的骨材为研究对象,运用塑性力学理论及数值仿真技术,分析了舷侧外板上骨材在遭受带有球鼻艏的船舶撞击场景下的变形损伤机理。研究中应用LS_DYNA仿真模拟得到舷侧外板上骨材的变形模态和能量耗散结果,在此基础上建立起骨材塑性变形的几何数学模型。运用塑性力学理论,获得舷侧外板上骨材在变形过程中的能量损耗和平均变形阻力的解析计算公式。研究中应用数值仿真结果进行验证。研究得到的舷侧外板骨材变形损伤的解析计算公式,对船舶舷侧抗撞性结构设计和耐撞性能评估都具有一定的参考价值。     

半潜式平台结构抗撞性能研究

在分析显示非线性有限元基本理论和碰撞仿真关键技术的基础上,研究了半潜式平台在遭遇船舶正向撞击时的抗撞特性及其影响因素。模拟了整船与半潜式平台的碰撞,船首结构及半潜式平台立柱结构模拟为弹塑性材料,并考虑船舶与半潜式平台运动惯性的影响,定义了三种不同的碰撞场景,撞击船分别沿纵向、横向和斜向撞击平台立柱,获取了碰撞力——撞深曲线、各构件能量吸收和结构损伤变形等。重点讨论了半潜式平台立柱在不同撞击位置条件下的撞击特性,分析了影响结构碰撞性能的因素,包括结构特性和撞击位置,提出了改善半潜式平台抗撞性能的一些建议     

船舶碰撞搁浅中强肋框承受面内载荷时变形机理研究

以船舶碰撞与搁浅中强肋框构件为研究对象,用塑性力学解析理论研究强肋框构件承受面内载荷时的结构变形机理,并据板材面内受压变形时的新特点,提出新的强肋框板面内受压变形模式。在此基础上运用塑性力学理论推导出结构变形能、瞬时结构变形阻力及平均结构变形阻力的解析计算公式。利用已有试验结果对该解析计算方法进行验证。结果表明,该方法准确度高、解析计算方便,适用于船体抗撞性结构设计及船舶碰撞与搁浅事故风险快速评估。     

船舶搁浅于台型礁石场景下双层底外底板骨材变形机理研究

以典型船舶双层底结构中外底板上的骨材为研究对象,运用塑性力学解析理论推导和数值仿真技术,研究外底板上骨材在船舶搁浅于台型礁石场景下的结构损伤机理。研究中应用仿真计算方法获得骨材结构变形模态和能量耗散结果,在研究变形模态基础上建立外底板骨材塑性变形发展过程的数学模型。运用塑性力学理论获得骨材结构变形能和平均变形阻力的解析计算公式,并应用数值仿真结果进行验证。研究得到的外底板骨材变形阻力和变形能解析计算公式,对船舶双层底耐撞性结构设计和耐撞性能评估都具有一定的指导意义。     

深水港码头轻型导管架结构在船舶撞击下的疲劳分析

结合大连新港新建30万吨级(兼靠45万吨)进口原油码头工程,研究离岸深水港码头轻型导管架结构在系泊船舶撞击下的疲劳损伤。采用通用有限元程序ANSYS计算船舶撞击作用下导管架平台的动力反应,得到结构构件的名义应力,乘以相应的应力集中系数,得到管节点热点应力的时程曲线。分别应用美国石油学会(API)规范、挪威船级社(DNV)规范和中国船级社(ZC)规范中相应的S-N曲线对船舶撞击作用下的疲劳损伤进行了计算。计算结果表明,对应用于离岸深水港码头的导管架结构,由船舶撞击平台所引起的疲劳损伤较大,不能忽略,若只考虑波浪荷载引起的疲劳损伤会导致过高地估计结构的疲劳寿命。结果还表明,按API规范与ZC规范计算得到的疲劳损伤基本一致,按DNV规范计算得到的疲劳损伤较其他两种规范偏大。     

海上风电站遭遇船舶侧向撞击时的结构动力响应分析

海上风电站的抗撞特性是设计中必须考虑的要素之一。利用非线性有限元动态响应分析程序MSC.Dytran模拟了一艘5000吨船舶以不同速度侧向撞击海上风电站的动态过程,得到了风电站的结构损伤特性、碰撞力-撞深曲线、能量转化曲线及其它相关数据。根据数值仿真计算结果,分析了风电站的结构抗撞特性,并对撞击过程中风电站的结构变形特征以及撞击能量对风电站结构损伤的影响程度进行了探讨。     

斜向撞击方柱下的车辆简化数值模型研究

精确模拟车辆撞击建筑物的受力和变形需建立精细的数值模型并消耗大量的计算时间。但建筑结构防撞设计只针对被撞结构,合理地简化车辆模型能够在保证计算精度的同时提高计算效率。该文首先基于能量守恒原理建立了45°斜向撞击方柱的车辆简化数值模型,并在此基础上分析了撞击方向对柱变形和损伤的影响。分析表明：简化车辆模型能够准确模拟车辆斜向撞击方柱时的撞击力、撞击冲量、柱变形和材料应变响应,同时有效地提高了计算效率;相比正面（90°）撞击,斜向（45°）撞击时车辆变形耗能较小,造成柱损伤和变形更大。     

预测船舶碰撞与搁浅结构动力响应的程序实现

该文介绍一个综合性解析计算程序,可用于预测船舶在碰撞和搁浅场景下的强非线性结构动力响应,包括结构变形阻力及能量耗散。解析计算方法具有使用方便,计算速度快,计算结果相对可靠的优点,易于工程应用。预测船舶碰撞与搁浅结构动力响应的程序包含两个模块,分别是船舶碰撞场景模块和船舶搁浅场景模块。船舶在碰撞和搁浅场景中,船体外板和内板等构件在外载荷作用下会出现弯曲、膜拉伸和撕裂的变形模式;船体桁材构件在外载荷作用下会出现弯曲和褶皱压溃变形模式。船体构件损伤失效所产生的结构变形阻力和能量耗散以解析的方式表达。此外,采用LS_DYNA程序开展数值仿真,验证解析计算程序的准确性和合理性。综合解析计算程序在结构设计阶段,对船体结构的耐撞性和船舶风险评估,都具有一定的工程应用价值。     

船-桥梁浮式钢套箱碰撞数值模拟中的流场处理方法对比研究

本文采用Ansys/Ls-dyna对1000吨级船舶与浮式桥梁钢套箱的碰撞过程进行了数值仿真,为了较精确地分析流场处理方法对于数值计算结果的影响,分别采用了流固耦合方法和附加质量系数法来模拟碰撞过程中流场的作用,并对比分析了两种方法下浮式钢套箱的碰撞力、撞深、竖向位移、内能变化等计算结果。研究结果表明,与采用附加质量系数法的结果相比,考虑流固耦合时防撞钢套箱的最大撞深较小而最大撞击力较大,且随着碰撞能量的增加,最大撞击力明显大于采用附加质量系数法的结果。因此对于桥梁的防撞钢套箱设计,常规附加质量系数法偏于危险,有必要用流固耦合方法来考虑流场的作用。另外,船体的撞击能量越大时,浮式钢套箱的竖向位移约束也越重要,可以通过设计浮式钢套箱的压载水,减小钢套箱在碰撞过程中的竖向位移,以提高其吸能效果。     

防撞击X型阻尼器及新型耗能减撞站房柱力学性能研究EI北大核心CSCD

针对易遭受撞击的站房结构柱等提出有效的防撞装置对结构安全运行至关重要,该文以此提出了一种新型耗能减撞站房柱,保障结构正常使用的同时达到最优耗能能力。采用LS-DYNA对新型耗能防撞设计的高铁站房结构柱进行防撞性能分析,并对其主要的耗能元件防撞击X型阻尼器和泡沫铝进行了研究。基于已有的经典试验进行数值模拟验证,包括钢板单向准静态加载试验、钢骨混凝土撞击试验和泡沫铝填充薄壁结构撞击试验。分析表明该文所建立的数值模型能够较好的模拟试验的撞击力和变形发展。以此建立防撞击X型阻尼器和新型耗能减撞站房柱的数值模型,从而优化单个防撞击X型阻尼器截面,使其耗能最好,并对比了不同因素下新型耗能减撞站房柱的吸能特性及加入泡沫铝后对新型耗能减撞站房柱的吸能影响。结果表明:在撞击荷载作用下,采用耗能最优防撞击X型阻尼器的新型耗能减撞站房柱中阻尼器将吸收97%的撞击能量,而内部结构柱中只有局部混凝土产生了裂缝;加泡沫铝的新型耗能减撞站房柱的吸能分布更加合理且吸能有较大的提升,但结构柱的塑性应变也会随之增加;整体而言,新型耗能减撞站房柱具有优良的吸能能力,保障了结构柱的安全。     

灰色关联及熵权法对碳纤维增强树脂复合材料防撞梁的耐撞性优化设计

为改善和提升汽车的轻量化和耐撞性,针对碳纤维增强树脂基复合材料特性提出一种基于灰色关联分析与熵权法结合的复合材料防撞梁结构的设计策略。建立了考虑整车实际工况的数值简化模型,并通过碳纤维增强树脂复合材料力学性能试验确定了T300碳纤维/5113环氧树脂复合材料的材料力学性能,为碰撞工况下碳纤维增强树脂保险杠防撞梁模型计算提供真实准确的材料参数。基于正面碰撞仿真模型,采用哈默斯雷试验设计方法确立60组样本点建立了设计变量与响应之间的关系,采用熵权法求出各响应指标的权重值,结合灰色关联分析对碳纤维增强树脂复合材料防撞梁的耐撞性和轻量化进行优化设计,获取防撞梁结构的最优尺寸参数组合,确定优化方案。研究结果显示,与初始防撞梁相比,优化方案吸能量峰值提高了11.4%,峰值力降低了48%,质量减少了56.5%。该方法在满足安全性指标的前提下实现了汽车轻量化优化设计。      

节点对RC框架结构抗连续倒塌能力影响研究

为了解节点对结构抗连续倒塌能力的影响,使用按照我国规范设计的RC框架结构对该问题进行了研究。对比了考虑节点影响和不考虑节点影响两种情况下的分析结果,发现节点对结构抗连续倒塌能力影响不能忽略,考虑节点影响后位移反应增大,结构抗连续倒塌的承载力会明显降低。该文同时对锚固在节点区的梁柱钢筋直径和强度、节点区剪切变形、节点区混凝土抗压强度等指标进行了参数分析,分析结果表明锚固在节点区的梁柱钢筋直径和强度对结构抗连续倒塌能力影响显著,而节点区剪切变形和混凝土抗压强度对结构抗倒塌能力基本无影响。此外,研究了考虑节点影响时结构构件的破坏模式,分析结果表明按我国规范设计的RC框架结构在连续倒塌过程中构件仍以弯曲破坏为主,并没有发现构件出现剪切破坏。研究结论为RC框架结构抗连续倒塌设计和加固提供了参考依据。     

导管架海洋平台结构模糊优化设计

考虑约束条件边界的模糊性,建立了导管架海洋平台结构模糊优化设计模型。对模糊优化模型中的设计变量、目标函数和约束条件进行了模糊处理。针对导管架海洋平台的特点,用模糊优选法确定约束条件边界容差系数,由界限搜索法求解模糊约束集和模糊目标集之交集的最优水平截集λ^*,进而求得模糊优化问题的最优解。以胜利油田埕北11#井采油平台为例进行了模糊优化设计,并与确定性优化设计相比较,分析了两种优化设计中设计变量的走向及原因,算例结果还显示目标函数值比确定性优化设计值有较大幅度下降,说明考虑模糊因素进行优化设计的可行性和科学性。     

模拟酸雨腐蚀钢管混凝土构件静力性能研究

该文讨论了模拟酸雨腐蚀环境下钢管混凝土构件静力性能的退化规律,具体包括模拟酸雨腐蚀后：钢材材料力学性能;钢管混凝土构件轴压力学性能;钢管混凝土构件纯弯力学性能;钢管混凝土构件偏压力学性能。分析了腐蚀率对钢材屈服强度、弹性模量、极限抗拉强度和极限延伸率的影响,采用钢管壁厚折减以及壁厚折减耦合材性折减的模拟腐蚀损伤方法,结合有限元ABAQUS软件、规范公式,分别计算了构件荷载-变形关系曲线、极限承载力,并和试验结果进行了比较,发现钢管壁厚折减方法优于壁厚折减耦合材性折减方法,地方标准严于国家标准。     

基于非线性数值模拟的船桥碰撞力快速估算

船舶对桥墩的最大撞击载荷是桥梁设计的重要依据之一。通过有限元仿真技术模拟了5000、10000、50000、60000吨4种不同载重吨位的船舶正撞刚性桥墩时的碰撞载荷,归纳出船桥碰撞力-撞深、能量-撞深等曲线和最大碰撞力数据。并在此基础上,得到最大碰撞力-船舶吨位曲线,可用于近似估算各种吨位船舶在不同航速时的最大撞击桥梁力。     

基于整船整桥模型的船桥碰撞数值仿真

桥梁在船舶碰撞时受到的动力载荷和响应是复杂的动力非线性问题。近代非线性有限元技术为该问题的求解提供了有效的工具。简述了该技术的基本原理,并基于整船整桥模型对一艘4万吨实船与桥梁的碰撞过程进行了计算。仿真结果显示了船艏结构损坏、碰撞力演变、能量传递和桥墩内部应力变化的详细情景,讨论了船-桥碰撞的力学特征。演示的方法比传统的经验公式和简化解析法提供更为精确的结果。所提供的桥墩应力状态对桥梁的设计与碰撞后的损伤评估有重要参数价值。