基于整体海洋平台模型的下落物体撞击数值仿真

针对海洋平台受落物撞击后的性能进行研究,采用非线性有限元数值仿真方法,探讨了落物撞击模型的建模技术和参数选取,建立了整体海洋平台模型,对落物与平台的撞击进行了数值仿真,并分析了撞击全过程,得出下落物体撞击海洋平台过程中关于碰撞力、结构损伤变形及能量转换等的一般性规律。主要结论如下：海洋平台结构的碰撞损伤变形主要表现为弹性变形,绝大部分塑性变形发生在撞击区域;海洋平台整体具有较好的弹性变形性能,能够降低下落物体撞击引起的结构损伤;建模时必须建立整个海洋平台模型,以充分体现平台结构的整体性能。     

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。     

半潜支持平台与钻井生产平台间碰撞响应分析

大型海洋结构物之间的碰撞是一类后果严重的海洋事故,目前,船舶与海洋平台碰撞研究较为常见,但对海洋平台与海洋平台之间的碰撞研究并不多见。针对这一问题,采用非线性有限元法建立海洋平台三维有限元模型,应用LSDYNA对不同碰撞速度和不同碰撞角度下支持平台与钻井平台之间的碰撞过程进行数值仿真,结果显示不同工况下得到的结构的碰撞力、结构损伤及能量转化等情况有一定差别。所做研究可用于半潜式平台碰撞时结构的损伤评估。     

拦阻索应力的仿真研究

舰载机着舰过程中,拦阻索的应力直接关系到舰载机的飞行安全。为研究拦阻索应力波传播规律,在多体动力学框架下,发展了基于绝对节点坐标法的具有接触碰撞功能的大位移索单元;并在此基础上建立了液压拦阻系统的简化模型。仿真分析尾钩两侧的索内应力是否相同。仿真结果表明,拦阻索受到冲击后舰载机的动能以横波和纵波的形式沿拦阻索向末端传播,并不断进行着反射叠加而产生应力峰值;由于纵波的传播速度远大于横波,从而使尾钩两侧的索内应力基本相同。此外,开发的拦阻索动力学模型可为拦阻系统的结构设计和优化提供计算方法。     

紧束缚分子动力学模拟:C_(60)与石墨(0001)面的碰撞

运用紧束缚势的分子动力学模拟方法，研究了Ｃ６０分子对石墨表面的碰撞，观察在入射动能为２４０ｅＶ时碰撞的微观过程以及动能和势能的变化趋势．结果发现在弹回过程中Ｃ６０分子质心的运动可被看做是在准谐势下的运动，通过碰撞Ｃ６０分子在石墨表面形成了薄膜．     

多面体网格在船体绕流计算中的应用

为了验证多面体网格在船体绕流、特别是存在自由面的高速船体绕流计算中的有效性,将多面体网格应用于动网格中,基于多面体网格对DARPA Suboff潜艇进行了数值计算;基于混合网格和动区域法对一种高速单体穿浪船进行了数值计算,并将数值计算结果同水池实验结果进行了对比.研究表明:同四面体网格相比,多面体网格能有效减少非结构网格的单元数量,并能用更少的网格单元获取相似甚至更好的计算结果;多面体网格在潜艇绕流计算上的应用效果非常好;结合Robust(Octree)网格生成方法可改善多面体网格的正交性和分层性,进而能够更好地捕捉波形和飞溅;混合网格结合动区域法可以将多面体网格应用于包含船体运动的数值计算.     

基于二维颗粒元法的超高速碰撞薄靶数值模拟

传统基于网格数值方法在模拟超高速碰撞时存在着材料大变形引起节点位置异常变化,导致单元畸变严重使计算无法进行;尤其是超高速碰撞中引起的材料断裂、破碎等用传统网格算法很难准确描述. 为克服传统网格算法在模拟超高速碰撞时存在的缺陷和不足,用二维颗粒元法模拟直径为5 mm球形弹丸以4~7 km/s对2 mm厚的靶板碰撞. 模拟结果表明,该方法克服了计算过程中存在的网格畸变现象,模拟得到的弹丸对薄靶开孔规律和形成碎片云形貌与实验基本吻合,证实了二维颗粒元法可作为新方法模拟超高速碰撞.     

移动边界下塑料熔体充填模拟的稳定性方法

针对具有移动边界的塑料复合成形过程模拟中因网格变形而导致的数值稳定性问题,提出了塑料熔体充填模拟的稳定性方法．该方法基于任意拉格朗日欧拉法建立移动边界下充填模拟的控制方程,采用四面体单元中引入中心速度稳定的速度压力耦合计算方案,提升了移动网格下塑料熔体充填模拟的稳定性和精度;进一步针对计算过程中网格变形导致四面体单元反转错误的问题,采用引入反转单元罚函数的线弹性网格优化方法,提升了移动边界下网格变形的稳定性;数值稳定性实验表明该方法在网格极端变形和不同单元纵横比下均能稳定求解．最后采用具有柔性移动边界特征的注射压缩-热压复合成形工艺对该方法进行验证,发现移动边界下塑料熔体流动前沿的模拟误差为3.3%,实现了对此类成形工艺的精确模拟．     

导管架平台碰撞极限承载力的非线性集群并行计算

将并行计算理论和方法引入到导管架碰撞极限承载力的非线性分析中,根据美国石油学会API RP 2A-WSD标准中的方法建立桩腿非线性抗侧力-位移曲线,考虑桩-土非线性的特点分析导管架碰撞极限承载力。利用该方法对埕岛油田某导管架平台的碰撞极限承载力进行研究,分别得到平台在碰撞力作用下的平台顶部荷载-位移曲线、主桩腿弯矩变化、Mises应力变化曲线等。将集群并行运算的结果与单一PC机的结果进行对比,验证并行计算的计算精度和计算效率,同时研究不同影响因素对并行加速比和并行效率的影响。计算结果表明:平台主桩腿最大位移、应力随碰撞位置的降低而增大;碰撞位置越低,平台的碰撞极限承载能力越大;并行计算所得到的结果与单一PC机运算得到的结果相差很小,是可信的;并行加速比随着参与并行结点数的增加而增大,并行效率随着参与并行结点数的增加而下降;随着模型节点和单元数目的增多,集群的并行效率提高,并且越复杂的模型和结构在进行计算时集群并行计算能力的优势越明显。     

考虑钢筋作用的块体单元法计算模型

依据块体单元法的理论和计算模型,提出了考虑钢筋作用效应的块体单元法计算模型.在此模型中,钢筋被简化为线弹性体,选取标距段内的钢筋为基本钢筋单元,通过分析钢筋在块体单元中的受力特性,建立起钢筋的应力模式,然后得到其内力势能表达,将此势能并入结构的整体势能中,从而实现钢筋单元和块体单元的结合.算例结果表明,该模型合理且可行.     

单桩基础海上风机受船撞击损伤和动力响应分析

随着海上风机在服役期内被船舶撞击风险提高,运用LS-DYNA软件进行了5 000t船舶以2m·s-1速度撞击单桩基础海上风机的数值仿真.提出面积受损率描述海上风机单桩基础的受损程度,分析了风机塔架易损位置的位移、加速度响应及剪力.结果显示:船舶正撞风机以塑性碰撞为主;面积受损率能合理反映单桩基础在不同质量、速度、碰撞角度船舶撞击下的受损程度,其与船舶动能具有一一对应关系;风机塔架位移响应随塔架高度增加而增强,加速度响应却减弱;塔架顶部剪力最大值同底部一样均很大,所以加强塔架顶部连接同加强底部连接一样重要.     

船舶撞击锚泊防撞系统的能量平衡关系分析

为了研究船舶撞击锚泊防撞系统过程中的能量平衡关系,根据动能定理和锚链力求解方程,计算船舶正面撞击锚泊拦阻系统时锚泊系统的动能和力做的功,主要考虑船的动能、锚与海底的摩擦力做的功以及锚链力做的功.在模型实验的基础上进行分析计算,结果表明,船舶的动能变化量基本上等于摩擦力和锚链力做功之和.说明摩擦力和锚链力做功抵消船舶动能可以作为拦阻系统初步设计的基本条件.     

卸载平台的避碰响应过程

建立了靠泊船舶、橡胶护舷和卸载平台组成的避碰系统的计算分析模型,利用能量法计算任意时刻的船速、橡胶护舷的反力和吸能以及船舶允许的最大靠泊法向速度.研究结果表明,船舶允许的最大靠泊法向速度与船舶的排水量成反比,并且与橡胶护舷性能和卸载平台的最大承载能力有关.通过改善橡胶护舷的性能和增强卸载平台的最大承载能力,可提高系统的避碰能力.     

海上钻井方式的演变与不同类型移动式钻井平台的特点

目前在海洋油气资源开发中所使用的移动式钻井平台主要包括:坐底式平台、自升式平台、半潜式平台和钻井船四种类型,不同类型的钻井平台在它们进化过程中表现出了一种传承和演变的关系。对不同类型的移动式钻井平台的演变过程与特点进行了综述。     

桥墩防撞导偏轮受撞后作用力及能量转换特性

为了避免船舶直接撞击运河桥墩,设计了一种适用于京杭运河航道的新型桥墩防撞导偏轮设施。依据船桥碰撞相关理论,通过不同船型与该新型防撞导偏轮设施碰撞过程的三维数值模拟,对船舶和防撞导偏轮设施碰撞后的作用力、能量转换及主要构件的碰撞损伤等特性进行了深入分析和评估。结果表明,该设施延长了撞击作用时间,可较好地保护碰撞船舶及桥墩,能够满足京杭运河桥墩防撞要求,并具有易更换、占地小和吸能效果明显的优点,适用于不同水深、流速、桥位的情况,可为内河桥墩防撞设计提供参考。     

油轮艏部结构碰撞特性

在船舶碰撞中，船艏是主要作用方．为减少碰撞事故损失，从碰撞的观点出了一种研究船艏碰撞特性的方法及表达船艏碰撞特性的特征量，据以改进船首设计．根据船艏结构本身的碰撞破损过程，对船艏结构碰撞力与破损深度的关系、艏部构件在碰撞过程中的损伤形态和能量耗散进行了研究，指出碰撞力曲线是船艏结构的一种固有特性．提出了碰撞力面积密度曲线的概念，它可用于定量表达船艏结构对其他结构的破坏能力．利用有限元数值模拟方法计算了一艘4万t船艏的碰撞损坏实例，显示了上述碰撞特征并讨论了提高碰撞数值模拟计算精度的方法．     

初速度对被撞船舷侧结构影响

采用ANSYS/LS-DYNA建立了两船发生侧向对中垂直碰撞的非线性有限元模型,模型中考虑了材料非线性、几何非线性等因素;并以所建立的非线性有限元模型为基础,对被撞船舷侧结构碰撞性能进行了仿真研究,得到了碰撞力和能量随碰撞船位移变化的关系曲线,重点研究了碰撞船初速度的影响.数值仿真结果表明,不同的碰撞船初速度会导致被撞船舷侧结构产生不同形式的变形和不同程度的损伤.同时,通过仿真计算得到了某一确定碰撞情景下被撞船舷侧内、外壳破裂的临界速度,可以为海事部门制定海上限速避碰规则提供依据.     

桥墩塑性防撞装置的力学机理

通过一艘4万t级油船撞击箱式塑性吸能防撞装置的有限元数值模拟计算，演示并分析了防撞装置的作用过程．指出了防撞装置受力的3个阶段、防撞力的限制值和防撞装置各构件的吸能特征，解释了防撞装置对桥梁的防护机理．同时介绍了非线性有限元碰撞分析中船舶、防撞装置与桥墩的模型化方法和材料、质量参数等的正确意义，并对防撞装置的优化设计提出了建议。