冰与悬臂梁结构物非线性动力耦合预报方法

为研究强冰载荷作用下海洋结构物发生的非线性变形响应,基于状态型近场动力学方法和非线性结构动力学理论,建立了一种冰与悬臂梁结构物非线性动力耦合预报方法.首先,建立了冰与悬臂梁结构物非线性动力耦合数值预报模型;然后,分别以悬臂梁受迫振动和海冰冲击算例来验证耦合模型采用的结构动力模块和海冰破坏模块计算的准确性;最后,开展冰柱高速冲击悬臂梁算例分析验证建立的冰与悬臂梁结构物非线性动力耦合预报方法的有效性.计算结果表明:冰柱高速冲击悬臂梁过程中上端部出现层裂破坏,悬臂梁变形使柱体下端部发生非对称破坏,下端表面出现斜向上扩展的裂纹,柱体下半部沿着裂纹扩展路径破坏成碎冰块.     

渤海海冰演化的三维数值模型

基于非结构化网格、有限体积三维海洋模型FVCOM建立了海洋-海冰耦合的渤海海冰数值模拟系统.模型中考虑了海冰动力过程和海冰热力过程,讨论了适合渤海的冰厚度分类规则、临界冰厚、短波辐射在冰内的透射率以及冰的热传输系数的合理取值.利用美国国家环境预报中心(NCEP)一小时一次的再分析气象数据作为驱动对2003—2004年冬季渤海海冰过程进行了模拟.模拟的渤海温盐计算值与实测值吻合较好,模拟的渤海冰盖分布与同期卫星遥感结果接近,模拟的辽东湾初冰日、终冰日的海冰面积、海冰厚度及其最大值和最大值对应的时刻与实测值基本一致.模拟与实测结果对比表明,建立的三维海冰数值模型能比较合理地反映渤海动力过程、气象条件影响下的温盐场过程以及渤海海冰的生消演化过程,具有较高的计算精度和计算效率,适合用于渤海海冰中长期数值模拟.     

冰桨接触过程中的遮蔽效应分析

考虑冰桨接触过程中前桨叶对冰结构的破坏,对后桨叶受的冰载荷产生较大影响,分析是由遮蔽效应导致,为了研究冰桨接触过程中遮蔽效应的影响,基于近场动力学和面元法耦合建立冰桨接触预报数值模型,实现冰桨切削动态变化过程的数值仿真.对比不同进速系数下螺旋桨叶面叶背载荷,探究冰桨接触工况下遮蔽效应产生的原因.分析了冰桨接触过程中遮蔽效应的影响因素,提出了遮蔽系数的计算公式,分别计算不同工况下的遮蔽系数,计算结果表明遮蔽系数计算公式的结果很好地预报了遮蔽效应对冰桨接触的影响程度.     

随机冰载作用下海上固定平台管节点的疲劳寿命估算

根据冰激振动理论，分析了海冰对海上钻井平台的不同破坏形式．为了解决海洋石油钢结构在低温冰载作用下的疲劳性能问题，进行了室温与低温下随机冰载作用对钢结构疲劳裂纹扩展的试验研究．根据试验结果，计算了平台管节点的疲劳累积损伤和随机冰载的等效应力，提出了综合计算等效应力幅的新方法，给出了管节点的疲劳寿命曲线及其计算参数．这种新的计算方法，考虑了冰载相对时间和相对冰厚的随机性，能提高寿命估算的精确度     

随机冰载下海上固定平台管节点的疲劳寿命估算

根据冰激振动理论，分析了海冰对海上钻井平台的不同破坏形式，为了解决海洋石油钢结构在低温冰载作用下的疲劳性能问题，进行了室温与低温下随机冰载作用对钢结构疲劳裂纹扩展的试验研究。根据试验结果，计算了平台管节点的疲劳累积损伤和随机冰载的等效应力，提出了综合计算等效应力幅的新方法，给出了管节点的疲劳寿命曲线及基储算参数。     

海冰对单柱式桥墩非线性地震反应的影响

用简化的附加水质量模型考虑动水压力对桥墩的影响,用动冰力模型考虑冰与桥墩的相互作用,建立了冰水域单柱式桥墩地震反应的动力计算模型,并利用时程分析法研究了在不同类型地震作用下海冰对桥墩非线性地震反应的影响.桥墩的最不利反应一般发生在海冰质量为5×106～5×107kg,可作为桥墩设计时的海冰质量;且墩底截面出现最大曲率时对应的海冰质量随着水深的增大而变大.有冰时墩底截面曲率延性需求系数、墩顶最大位移和墩顶残余位移比无冰时增大数倍,墩底截面弯矩–曲率滞回曲线呈倒"S"型更显著,桥墩的变形和耗能能力显著下降.同时,与近场地震波作用时相比,远场地震波作用下海冰对单柱式桥墩顶部最大位移和残余位移的影响更大.     

海冰在单轴压缩下的韧-脆转化机理及破坏模式

海冰的破坏模式在不同加载速率下呈现出韧-脆转化特征.为研究海冰的韧-脆转化机理,本文对渤海东北部海域的平整冰进行了现场单轴压缩试验.该试验采用的海冰为典型的h2型柱状冰,其盐度变化范围为5.5‰–7.4‰,试样温度在–15°C至–18.3°C之间.试验中对几何尺寸为50 mm×50 mm×107 mm的长方体试样施加垂直于生长方向的压缩载荷,由此得到海冰在不同加载速率下的单轴压缩强度.在试验过程中所采用的应变率区间为4.5×10~(–5)–7.5×10~(–3)s~(–1).由于在不同加载速率下海冰应变率的不同,海冰呈现出3种不同的破坏模式:在加载速率较低时,海冰强度随加载速率的提高而增大,海冰中裂纹尖端的应力集中通过蠕变作用释放而抑制了裂纹扩展,最终呈现为韧性破坏模式;当应变率在9×10~(–4)–5×10~(–3)s~(–1)区间时,海冰内部的裂纹能够沿主轴方向稳定生长并产生贯穿整个试样的主裂纹,形成劈裂破坏,海冰则呈现为韧-脆转化破坏;当加载速率较高时,海冰试样的裂纹尖端无法稳定生长而产生斜向裂纹并构成碎裂破坏,海冰则呈现为脆性破坏模式.以上试验结果还表明,每种破坏模式均有与之对应的强度-应变率关系,且海冰在不同应变率下的破坏模式决定了其单轴压缩强度特征,是其发生韧-脆转化的主导因素.此外,本文还对海冰在不同加载速率下等效弹性模量的变化规律进行了讨论分析.     

直立腿海洋平台冰激振动响应参数敏感性分析

为研究直立腿海洋平台冰激振动响应对海冰参数的敏感性,考虑海冰参数值的发生概率,设计三因素-五水平正交模拟方案.根据冰荷载功率谱密度函数,采用简谐波叠加法生成冰荷载时程数据,使用SACS软件建模,计算结构动力响应,并进行极差分析、方差分析和相关性分析.研究结果表明:直立腿海洋平台冰激振动响应对海冰漂流速度的敏感性可忽略不计,对海冰强度和冰排厚度的敏感性较高,并且对海冰强度的敏感性要低于对冰排厚度的敏感性;冰厚对最大基底剪力影响最大,对最大倾覆力矩影响最小;强度对最大倾覆力矩影响最大,对顶层加速度影响最小.研究结论可为冰区海洋平台的设计提供一定的参考.     

极区船舶及海洋结构冰荷载的离散元分析

 冰荷载是影响极区船舶及海洋结构振动响应和疲劳寿命的重要因素。针对海冰的离散特性,分别采用具有黏结-破碎效应的球体单元、扩展圆盘单元以及基于闵可夫斯基和方法的扩展多面体单元构造海冰离散单元模型,分析了船体、固定式、自升式以及浮式海洋结构的冰荷载特性及分布规律。此外,为计算海冰作用下海洋结构的振动响应,建立了相应的冰激结构振动的离散元-有限元模型。在上述基础上自主研发了基于图像处理单位（GPU）并行算法的海冰离散元软件（IceDEM）,实现了对船舶以及海洋平台结构冰荷载离散元分析的大规模计算。     

爆破荷载作用下岩石破坏特性的“共轭键”基近场动力学数值模拟研究

近场动力学是一种基于非局部弹性理论的积分形式的无网格数值方法.本文为克服传统近场动力学模型中的固定泊松比问题,建立了"共轭键"基近场动力学模型,实现了岩石爆破破坏特性的近场动力学数值模拟.通过引入"共轭键"转动角度及建立微观和宏观变形能的等效关系,推导了"共轭键"基近场动力学模型中的法向刚度参数及切向刚度参数与宏观力学参数之间的关系.另外,通过对影响域中每根"键"所储存的能量密度与临界"键"能量密度进行对比,判断近场动力学模型中的"键"是否断裂,从而实现裂纹起裂、扩展及连接过程的数值模拟.三个数值算例说明:该模型能有效地模拟岩石爆破破坏特性.数值算例与试验结果对比表明,本文所提出的数值方法可以预测岩石材料的爆破破坏模式及特性.     

弹丸侵彻混凝土靶板破坏过程的近场动力学模拟

为了精确描述弹丸侵彻混凝土靶板的破坏过程及其演化规律,文中采用基于非局部相互作用思想与空间积分方程建模的键型近场动力学(peridynamics,PD)方法,改进了近场动力学本构力核函数,对弹丸侵彻下混凝土靶板的动态破坏过程进行仿真分析。模拟了弹丸侵彻下混凝土靶板破坏的全过程,探讨了不同冲击速度下混凝土靶板的破坏特征,较好地描述了其损伤累积和渐进破坏过程。     

超高压撞击流技术制备破壁灵芝孢子的数值模拟

通过有限元方法分析灵芝孢子的撞击过程.按照灵芝孢子的结构,建立了计算模型,得到结构在高速撞击时的应力分布.结果显示:高速射流引起撞击粉碎时,孢壁的破坏不仅和冲击速度有关,还和接触角有关.冲击速度越大,孢壁中产生应力值越大,越易破碎.当接触角分别为10°和80°时,孢壁破坏程度最大.研究结果可为工艺参数的优化提供重要依据.     

船载雷达海冰监测及预报技术在辽东湾冰区油船外输作业中的应用

介绍了在国内首次利用船载雷达，在冰区石油平台上，现场采用雷达海冰监测预报技术系统，进行雷达海冰图像数值化处理，得到流冰类型、冰厚度、流冰密集度、流冰速度、方向、流冰漂移轨迹等要素．同时首次现场实时计算出雷达冰漂流场矢量图，并开展了雷达海冰数值跟踪预报，在冰区油船外输作业中得到很好应用．为船载雷达在海洋监测预报技术和环境工程的应用提供科学依据．     

球状飞射物对屋面瓦片冲击效应的数值模拟

选取典型的球状混凝土飞射物,研究其对一种典型屋面陶土瓦片的冲击破坏作用.基于ANSYS/LS-DYNA平台,参考落球冲击试验方法建立冲击碰撞的有限元计算模型.选取Johnson-Holmquist-Ceramic本构模型模拟陶土瓦片材料,引入单元应变失效准则模拟瓦片破坏情况,采用显式动力学方法研究落球冲击试验中瓦片应力、应变、变形的时变机理.对冲击速度、球块质量、瓦片倾角进行参数分析,结果表明,瓦片最大等效应力与冲击速率及球块质量大致成正比,与瓦片倾角相关性不大.冲击过程是一个能量显著转移的过程,根据损伤方程计算出陶土瓦片能承受不超过34.35m·s~(-1)的来流风速下球状混凝土飞射物的冲击破坏作用.     

冰区海洋平台构件的模糊疲劳可靠性分析

为便于冰区海上固定采油平台的设计和对其在服役期间的安全可靠性进行评估 ,运用模糊数学理论和疲劳寿命试验 ,提出了冰区海洋平台构件的安全疲劳寿命计算及其可靠性分析的方法。给出了冰区海浪及海冰载荷作用于平台构件上的随机疲劳应力幅的计算方法 ,分析了平台构件的疲劳累积损伤 ,提出了考虑模糊性之后对Min er法则的修正。据此 ,给出了安全疲劳寿命的估算方法 ,建立了新的模糊疲劳可靠性分析模型。按照此模型 ,给出了平台服役期间构件动态模糊疲劳可靠度的计算方法。疲劳寿命试验及计算实例表明 ,与采用常规的确定性Miner法则计算结果相比 ,按照该文方法计算得出的疲劳寿命更接近于疲劳寿命试验结果。     

冰激动载荷下自升式平台桩腿结构的安全评估

为了保证自升式平台冬季在冰区海域安全作业,应对桩腿结构在动冰载作用下的强度进行评估。应用ANSYS软件建立自升式平台和冰相互作用的仿真计算模型,实现了自升式平台结构的冰激瞬态动力分析,提出冰激动载荷下平台桩腿的静强度和疲劳强度校核的计算流程。对渤海某自升式钻井平台桩腿进行了强度校核,计算出不同海冰参数下平台桩腿的冰激疲劳损伤。计算结果表明,该平台的桩腿在冰激动载荷下的强度满足安全要求,冬季继续在冰区海域进行钻井作业是可行的。     

冬季覆盖海冰条件下海冰消融过程水盐变化分析

众多国家和地区对非常规水源利用一直给予研究和重视。冬季海冰覆盖条件下,融水质量变化特征不同于常规灌溉,研究和掌握其规律对咸水冰资源综合利用十分重要。利用冬季室外冰柱、土柱实验,以实时监测海冰消融全过程为手段,深入分析冬季覆冰条件下海冰融水水量及总盐动态变化。实验结果表明:融水量最大值出现在下午15时左右;覆盖海冰条件下,海冰消融入渗过程分为集中排盐、深度脱盐、淡水入渗三个阶段。实验结果可为冬季覆冰或咸水结冰灌溉提供技术参考。     

高速磁悬浮车辆复合板抗冰雹冲击动力响应研究

为解决高速磁悬浮的抗冲击问题,建立了磁悬浮列车车身夹芯复合板的有限元模型和冰雹的SPH粒子模型,利用大型动力有限元分析软件LS-DYNA,模拟了列车高速行进过程中车身复合板遭受冰雹冲击的动力响应及损伤破坏问题.通过分析研究,给出了不同冲击速度下的复合结构的应力、应变计算结果,同时给出了冲击破坏模式.结果表明采用SPH方法模拟冰雹冲击行为具有合理性和准确性.      

海冰在波浪中纵向运动的试验研究

为了研究海冰与波浪的相互作用,以单块非冻结模型冰为基础,通过试验研究了独立海冰的纵向运动,并与斯托克斯漂移进行对比.结果显示:海冰的纵向运动包括纵向平移运动和纵摇运动,平移运动可以分解成纵向的漂移运动及纯粹的纵荡运动;海冰的厚度、波长及波陡都会在一定程度上影响海冰的纵向运动.通过计算发现斯托克斯漂移与试验测量值随波陡的变化规律是一致的.     

提取近场扫描天线等效电路参数的一种新方法

提出了一种新的提取近场扫描天线等效电路参数方法.利用静电场与静磁场有限元分析方法结合无限元技术,分别计算了近场扫描天线线圈等效电路的电容和电感数值.考虑到线圈很薄,网格无法精细划分影响计算结果,采用插值推算法获取更精确数值.计算结果与HFSS仿真数据误差小于1.3％.与高频仿真软件相比,所提出的方法没有高频方法的低频奇异问题,这为处理低频问题提供非常重要的计算手段,弥补了高频有限元法在低频段的不足.最后通过对有限元网格、边界球半径以及无限元区域厚度的讨论,研究对计算结果的影响和变化规律将对有限元仿真分析设定参数提供参考依据.