基于碰撞机理的船舶碰撞分析方法研究

船舶碰撞是船体结构在很短的时间内承受巨大碰撞载荷作用的一种复杂非线性动态响应过程,为船舶与海洋工程领域的重大风险源.文章对比分析了现有的碰撞分析方法,介绍了相关研究成果,提出基于碰撞机理、结构损伤和概率评价的风险分析方法,阐述了该方法的技术路线和研究内容,并提出今后的研究方向.     

深海立管相互碰撞的响应面法研究

针对深海立管在理想环境和外部水环境中发生碰撞的情况,从立管碰撞最大径向位移和应力峰值两方面展开研究,充分利用ABAQUS仿真得到的数据,基于数值模拟和回归分析,提出四因素三水平的立管碰撞响应面分析方法。采用Design-Expert软件的BOX设计,对立管的非线性碰撞过程中的碰撞应力峰值和最大径向位移等两个试验指标进行回归分析并分别建立二次响应面回归模型。通过将响应面分析所得最优化解与有限元计算结果的对比,最终验证了响应面分析方法及所得模型的准确性。     

一个单种P-Z赤潮生态模型的非线性分析

对植食性浮游动物摄食模型(仅对一个赤潮藻类)进行非线性分析,得出了该确定性参数方程的稳定性条件和发生 Hopf 分岔的条件,并且用数值模拟证实了理论分析.为更好的吻合实际情况,提出了含有变参数的赤潮藻类生长模型.模型中用一个周期函数来近似模拟了藻类生长率参数,并对此模型做了数值模拟.结果表明,引入变参数后的模型能出现概周期解,更能体现藻类生长的季节性特点,与实际情况符合更好.     

变参数赤潮藻类生长模型的非线性动力分析研究

在对一个营养盐和赤潮藻类摄食模型进行非线性分析的基础上,提出了含有变参数的赤潮藻类生长模型。模型中用一个周期阶跃函数来近似模拟了藻类生长率参数,并对此模型做了数值模拟。结果表明,引入变参数后的模型更能体现藻类生长的季节性特点,和实际情况符合更好。     

近海固定平台碰撞强度静力分析

本文较全面地分析了近海钢质固定平台受碰撞时的承载能力。从塑性力学极限理论中的上下限定理的对偶原理出发,作者提出用对偶变分原理求解圆柱薄壳极限载荷的新理论,提出用逐步逼近-惩罚线性规划求解空间刚架的极限载荷的新方法。作者也推导了变截面、线性运动强化材料的两端刚固梁的力-位移计算公式。最后全面地综合分析和计算了平台结构受碰撞时的三种变形(腿柱局部变形,腿柱总变形及整个平台的变形),从而获得平台的塑性变形能。本文为设计师进行固定平台的碰撞直接设计提供了可靠的理论根据和有效的计算方法。     

坡度、水深和波高对孤立波分裂影响作用的数值研究

基于有限差分法建立高阶Boussinesq方程的一维数值模型,时间步进上采用三阶预报、四阶校正格式。在验证数值模型适用性的基础上研究了坡度、水深和波高对孤立波分裂位置、主峰和次峰波高大小的影响,证明了孤立波的分裂与非线性特征有关。坡度缓,非线性演化的时间长,孤立波更易分裂,但坡度变缓不会明显增强波浪非线性特征,从而对主、次峰波高影响不大;入射波高大、水深浅(深水水深或浅水水深)的孤立波非线性特征更强,波形更尖锐,孤立波更易发生分裂,且主、次峰波高也越大。     

渤海局部海域风暴潮漫滩的数值模拟

在Johns变边界模型的基础上,提出了一种嵌套式变边界数值模型,应用于渤海风暴潮的数值计算。分别模拟得到了1964年和1969年两次渤海风暴潮黄河三角洲一带的最大淹水范围和水位过程曲线。模拟过程中考虑了天文潮与风暴潮的非线性耦合效应。模拟结果分别与实测值和固定边界模型的结果进行了比较,从而证实了变边界模型不仅能计算出最大淹水范围,而且得到的风暴潮水位值也更加符合实际。     

投影寻踪门限自回归模型在海洋冰情预测中的应用

为预测海洋冰情时序这类非线性动力系统，提出了投影寻踪门限自回归（PPTAR）模型。用自相关分析技术确定预测因子，构造了新的投影指标函数，用门限回归（TR）模型描述投影值与预测对象间的非线性关系，并用实码加速遣传算法优化投影指标函数和TR模型参数。实例的计算结果表明，用PPTAR模型预测海洋冰情时序是可行和有效的，PPTAR模型简便，适用性强，克服了目前投影寻踪方法计算量大，编程实现困难的缺点，有助于投影寻踪方法的推广应用。为解决非线性时序复杂预测问题提供了新的途径。     

考虑应变率影响的圆管结构冲击试验缩尺修正方法研究

评估结构耐撞性能最可靠的方法是实尺度碰撞试验,然而对于大尺度结构物的碰撞试验,因其耗资巨大而不易开展,适当开展比例模型试验可以为简化解析算法及数值仿真计算提供验证依据,也可在一定程度上评估结构的耐撞性能。但是在进行碰撞模型试验时,材料应变率的敏感性会使得缩尺模型的动态响应与实尺度结构结果出现偏差,模型试验得到的数据与实际结构的动响应不完全遵循相似关系,这就限制了相似理论在大型结构物冲击问题上的应用。本文给出了一种通过改变冲击质量来修正应变率效应的方法,不同于传统量纲分析法中选取时间、质量和长度为基本量纲,而是以冲击质量、初始冲击速度和动态应力代替,得到计及应变率效应的质量相似关系。以此为基础,将该修正方法应用于船舶-自升式海洋平台的碰撞分析中。研究结果表明,该修正方法可以有效降低由于应变率效应而造成的缩尺误差,修正后的缩尺模型在碰撞冲击载荷下的位移、碰撞力和撞击时间等动态响应参数与实尺度模型结果的一致性更好。本文研究成果可以为大型结构物冲击模型试验设计提供技术支撑。     

大型船舶碰撞引起的海洋导管架平台结构损伤分析

主要对某一海洋导管架平台结构受到大吨位起重铺管船的碰撞进行了详细的非线性数值动力模拟。采用非线性弹簧来模拟受损构件的凹陷特性，计算分析了船舶侧向撞击导管架平台结构在不同的碰撞接触时间下的构件损伤情况，与实际结构损伤的检测结果相比较，反演计算分析了船舶以不同的速度与平台发生碰撞，得到了不同的碰撞接触时间和最大撞击力，以及导管架平台结构主要节点的应力、位移时间历程曲线，可以确定受到撞击后导管架平台结构构件和管节点的损伤程度，对提出合理可行的修理加固方案提供了理论依据。     

基于变系数Korteweg-de Vries方程的海洋内孤立波非线性相互作用仿真模拟研究

本文主要是利用含有散射项和微扰项的变系数Korteweg-de Vries方程的双孤子解对海洋内孤立波的非线性相互作用进行研究.在南海东沙群岛海域,着重分析该弹性碰撞在合成孔径雷达图像上的信号特征,同时研究耗散项和微扰项对海洋内孤立波的弹性碰撞引起的表层流速的影响.     

船舶碰撞中空夹层钢管混凝土导管架平台损伤分析

针对船舶与中空夹层钢管混凝土（CFDST）导管架平台碰撞问题,利用ABAQUS/Explicit非线性有限元软件建立中空夹层钢管混凝土导管腿导管架数值模型,对船舶碰撞进行数值模拟,对比分析1 m/s、2 m/s和3 m/s的3种碰撞速度下工况下导管架抗碰撞性能、耗能及损伤。从碰撞力、碰撞区域变形以及导管架能量耗散等方面详细研究中空夹层钢管混凝土导管腿作用下导管架整体的损伤模式和动力响应。结果表明：CFDST导管架在船舶碰撞荷载作用下主要由CFDST导管腿耗能,有效控制了结构整体位移变形,提升了整体刚度,有效发挥平台各构件之间组合耗能,结构抗碰撞能力得到明显提升。     

海上风机高桩承台基础船舶碰撞动力分析

为研究海上风机高桩承台基础受到船舶碰撞作用的动力响应,本文运用非线性分析软件LS-DYNA,结合我国东南某海上风电场实际情况,通过建立风机高桩承台基础与船舶碰撞的有限元模型,研究了船舶在撞击过程中的撞击力时程分布以及高桩承台基础在撞击作用下的响应,分析了船舶碰撞对于风机基础结构的动力影响,对于橡胶护舷对于基础结构的保护作用进行了分析。研究结果表明,船舶撞击速度对于风机基础结构的位移影响显著,需要严格控制船舶靠泊速度。同时,橡胶护舷对于结构起到了良好的保护作用。     

海水中A3钢样阴极保护电化学场的二维有限元计算

有限元法已被证明是计算阴极保护场中电位、电流密度分布的有效方法。作者建立了二维的有限元数学模型,并讨论了模型中电化学场的非线性边界条件的处理和非线性方程组的迭代法解法。用构建的模型对简单的阴极保护模拟体系进行了分析,得出了较合理的结果。     

主成分分析与人工神经网络相结合反演一类水体叶绿素-a浓度

为了有效利用不同波段的光谱数据,改善反演一类水体叶绿素-a浓度的精度,文中提出了一种将主成分分析与BP神经网络相结合的反演方法。该方法利用主成分分析法对原输入空间进行重构,实现光谱数据压缩;利用BP神经网络实现压缩光谱数据与叶绿素-a浓度的自适应非线性映射。SeaBAM数据的实验研究表明,提出的方法与二次和三次经验算法相比,更具有普适性,且反演精度有所改善。     

变系数EKdV模型在模拟南海北部大振幅内孤立波传播和裂变中的应用

利用垂向连续分层变系数EKdV模型,模拟了南海北部海域大振幅内孤立波的传播和裂变过程,并与观测数据进行比较。结果表明:连续分层变系数EKdV模型能够较好地反映振幅小于100m的内孤立波的振幅和波宽,对于更大振幅的强非线性内波,该模型模拟的振幅和波宽均较实测较小;非线性模态函数能够较准确地反映温度振荡的垂直结构,而水平流速的大小和垂直结构则与线性模态较符合。研究结果表明,变系数EKdV模型能够为研究和理解大振幅内孤立波的传播和裂变过程提供较好的理论支持。     

腐蚀损伤下海洋平台极限强度计算方法及试验研究

基于非线性有限元方法,计及材料非线性和几何非线性,考虑腐蚀损伤因素提出了一种固定式海洋平台极限强度计算方法,并以墨西哥湾某海域某典型固定式海洋平台为算例,对其进行全寿命期内极限强度计算,获得了该海洋平台极限强度随服役年限的变化规律。同时依据刚度相似和几何相似,设计完好试验模型和腐蚀试验模型,开展极限强度试验研究,将试验结果与计算结果对比分析,通过试验手段验证了腐蚀损伤下海洋平台极限强度计算方法的有效性。     

非线性效应对浅水水波变形的影响

本文采用波数矢量无旋和波能守恒方程建立了一个考虑非线性作用的浅水水波变形数值模型,模型中采用Ｂａｔｔｊｅｓ关系与波数矢量无旋,波能守恒方程一起来求解波浪在浅水中变形的波浪要素,在波能守恒方程中考虑了底摩擦的影响。利用本文提出的数值模型对一个斜坡浅滩水域波浪折射绕射现象进行了验证,验证计算中用一个非线性经验弥散关系近似浅水水波变形的非线性效应并与用线性弥散关系的计算结果进行了比较,结果说明使用非线性     

非线性弥散效应及其对波浪变形的影响

针对Hedges,Kirby和Dalrymple提出的非线性弥散关系的修正式在浅水区存在的较大偏差的问题，给出了一个在整个水深范围内具有单值性的非线性弥散关系。比较可知，它具有在深水与中等水深逼近二阶Stokes波的弥散关系式，在浅水较Hedges,Kirby和Dalymple的修正表达式与Hedges的关系更加吻合的优点，且形式简练，用近似该非线性弥散关系的显式表达式，结合弱非线性效应的缓坡方程，得到考虑非线性弥散影响的波浪变形模型。数值模拟结果表明，用新的非线性弥散关系得到的模型对复杂地形进行模拟的结果和实测结果吻合很好。     

泥床上的波浪衰减：—伪塑性体模型

由于不同的淤泥其流变特性不同，部分淤泥的本构关系可以用伪塑性模型近似，因此本文提出上层为理想流体，下层为伪塑性体的双层流体模型模拟淤泥床的波浪衰减。文中利用线性化方法求解伪塑性体这种非线性模型的边界值问题，并根据色散方程的数值解讨论了模型参数对波浪衰减的影响。文中最后指出，模拟泥床上波良衰减的其它非线性模型也可以通过本文提出的等效功原理求解。