Discrete elementmodeling of ice loads on ship hulls in broken ice fields

Ice loads on a ship hull affect the safety of the hull structure and the ship maneuvering performance in ice-covered regions. A discrete element method （DEM） is used to simulate the interaction between drifting ice floes and a moving ship. The pancake ice floes are modelled with three-dimensional （3-D） dilated disk elements considering the buoyancy, drag force and additional mass induced by the current. The ship hull is modelled with 3D disks with overlaps. Ice loads on the ship hull are determined through the contact detection between ice floe element and ship hull element and the contact force calculation. The influences of different ice conditions （current velocities and directions, ice thicknesses, concentrations and ice floe sizes） and ship speeds are also examined on the dynamic ice force. The simulated results are compared qualitatively well with the existing field data and other numerical results. This work can be helpful in the shil3 structure design and the navigation securitv in ice-covered fields.     

极端循环载荷下船体裂纹箱型梁的极限强度

旨在了解箱型梁在极端循环载荷下的极限强度特性。利用非线性有限元方法来研究裂纹箱型梁的极限弯矩,分析了5种裂纹模型,探讨了裂纹类型、裂纹位置和裂纹长度的影响。考虑了两种载荷形式应用生死单元法对双向循环弯曲下裂纹扩展进行了模拟;并将由循环载荷引起的累积塑性损伤和疲劳裂纹损伤均考虑在内。无论单向循环还是双向循环,单裂纹模型的极限弯矩均小于双裂纹模型的极限弯矩;单边裂纹是最危险的裂纹类型。进一步分析了极端循环载荷下裂纹箱型梁的极限强度折减机理,得出了极限强度折减归因于这两种损伤的耦合作用的结论,并通过其他箱型梁验证了其适用性。     

循环载荷作用下损伤船体梁极限强度研究

为了研究循环载荷作用下扶强材初始损伤对其极限强度的影响,进行了14组扶强材的循环加载试验和分析。构造了考虑材料累积损伤完整、断筋和大变形的扶强材单元极限承载力计算公式,提出了相应循环载荷作用下损伤扶强材单元的端缩曲线表达式和船体梁极限强度计算的简化逐步破坏法。编制了循环载荷作用下船体梁损伤极限强度计算程序,进行了船体梁极限强度计算,并与有限元结果进行对比。研究结果表明：改进的损伤扶强材模型可较为准确地描述扶强材材料损伤的完整、断筋和大变形的极限承载力退化情况,扶强材腹板断裂的损伤相较初始大变形及材料累积损伤形式承载力下降程度更明显;所提出的循环载荷作用下损伤船体梁极限强度计算的简化逐步迭代方法,能定量地计算扶强材在不同类型损伤下的极限承载力退化程度,具有较高精度,方便易行,可应用于工程设计。     

集装箱船货舱区结构设计和强度评估研究

基于NAPA Steel软件,实现某集装箱船货舱区的3D结构设计,并输出2D的CAD图纸.同时,在结构设计模型的基础上直接生成三舱段结构的初始有限元模型,参照CCS规范要求对模型进行修改完善后,应用MSC.Nastran软件对其进行了强度分析和屈曲计算,获得了该舱段结构强度的详细信息,并根据评估结果来完善结构设计.与传统的2D结构设计模式相比较,3D结构设计方法能有效地提高设计质量和效率.     

火灾中集装箱船剩余极限强度研究

采用ISO规定的火灾的标准温度—时间曲线建立船体结构的火灾模型。基于能量守恒原理建立热传导微分方程,计算热传导、对流和辐射对结构温度分布的影响。考虑火灾发生位置的差异性,分析得到着火区域的温度场。根据高温下钢材的力学性能,针对火灾发生位置的不同,利用非线性有限元方法,分析火灾对集装箱船剩余弯曲极限强度(中拱、中垂)的影响。结果表明,集装箱船不同位置发生火灾时,对船体结构极限强度的影响具有显著差异。船舱某一位置发生火灾时,对船体梁中拱和中垂极限强度的影响也分别不同。对集装箱船火灾的瞬态分析结果表明,火灾对船体梁极限强度的衰减作用主要发生在火灾发展过程中的前期,船体梁极限强度的衰减速度随火灾发展的时间逐渐减慢。     

套管加强T型管节点在平面外弯矩作用下极限强度分析

对用套管加强的T型管节点在平面外弯矩作用下的极限强度作了参数化分析。同时将相应的套管以及管节点的几何参数对极限强度的影响进行评估,并且和未加强的T型管节点作了比较。在计算结果中可以得出在管节点的弦管和撑管的连接处用合适的套管加强,可以将管节点在平面外弯矩作用下的极限强度提高到3倍多。     

船舶在平整冰区行进过程的离散元分析

船舶在冰区航行中,冰荷载是船舶结构设计和安全航行的重要影响因素。采用具有黏结破碎特征的离散单元法对船舶在平整冰区的航行过程进行了数值分析。在船舶破冰过程的离散元模拟中,平整冰由球形颗粒黏结而成,同时考虑了海水浮力和拖曳力对海冰单元的作用,颗粒间的黏结作用可在海冰与船体的相互作用过程中发生破碎;船体由三角形单元构造,分析了在海水浮力、推进器推力及海冰共同作用下船体的六自由度运动特性。通过船体与海冰相互作用的离散元分析,确定了船舶在破冰过程中海冰作用在船体上的冰荷载,探讨了船舶推进器推力和海冰厚度对冰荷载的影响,并与Lindqvist船体冰阻力经验公式进行了对比。     

碎冰条件下单点系泊船舶动态响应特性研究

为了研究不同单点系泊位置对极地系泊船舶在来冰角度改变时动态响应的影响,运用离散元方法(DEM),计算了船舶在60%密集度下,冰速为1.0 m/s、冰厚为1 m时不同角度的船冰阻力,结合系泊分析软件二次开发功能,计算分析系泊船舶在不同来冰角度和不同系泊位置下受上述冰情影响下的响应。通过对模拟结果与试验结果的对比,认为离散元方法(DEM)的数值模拟结果与试验结果吻合较好;单点系泊位置为距船头L/4时,系泊船舶能以最快速、最稳定的方式对来冰方向的变化做出响应。     

在AutoCAD平台上应用ActiveX技术进行船体曲面造型

论述了AutoCAD ActiveX Automation,并就应用Active技术进行二次开发AutoCAD的问题，讨论了如何引用对象和使用对象的方法和属性、使用文档对象的事件、用ADO（ActiveX Data Objects)开发基于数据库的应用程序等。通过应用ActiveX技术，在AutoCAD中构造了船体曲面。     

水下生产系统跨接管结构极限承载能力分析

跨接管是水下生产系统的主要构件之一,水下地形变化易导致跨接管两端承受较大边界位移载荷,对水下生产系统的结构安全性产生不利影响。研究并分析了端部相对位移载荷作用下跨接管结构的极限承载能力及跨接管失效模式的特点,表明整体轴向压缩位移分量是导致跨接管结构发生极限破坏的主要因素。在此基础上考虑了内表面周向裂纹对跨接管极限强度的影响。分析结果表明:当裂纹较小时,因弯管截面的椭圆化和塑性屈服,轴向压缩位移很容易使跨接管发生整体压缩失效;当裂纹较大时,因为裂纹韧带区的高应力效应,跨接管会在整体压缩失效之前达到极限状态;最终失效模式取决于裂纹的位置及大小。     

Numerical analysis and validation of weakly nonlinear ship motions and structural loads on a modern containership

This paper aims to validate a numerical seakeeping code based on a 3D Rankine panel method by comparing its results with experimental data. Particularly, the motion response and hull-girder loads on a real modern ship, a 6500 TEU containership, are considered in this validation study. The method of solution is a 3D Rankine panel method which adopts B-spline basis function in the time domain. The numerical code is based on the weakly nonlinear scheme which considers nonlinear Froude-Krylov and restoring forces. The main focus of this study is given to investigate the nonlinear characteristics of wave-induced loads, and to validate this present scheme for industrial use in the range of low Froude number. The comparisons show that the nonlinear motions and hull-girder loads, computed by the present numerical code, have good overall agreements with experimental results. It is found that, for the better accuracy of computational results, particularly at extreme waves in oblique seas, the careful treatment of soft-spring (or compatible) system is recommended to the control of non-restoring motions such as surge, sway, and yaw.     

Experimental investigation of free-running ship manoeuvers under extreme shallow water conditions

We present an experimental investigation of a free-running manoeuvring inland waterway ship at extreme shallow water conditions. Physical tests of zig-zag manoeuvres at two different water depths were performed in model scale and investigated with regards to the effects of limited under-keel clearance. Experimental data comprise results from repeatability studies and may serve for validation of manoeuvring simulations.     

海上升压站在靠船工况下振动舒适性研究

国内外海上风电开发正逐渐走向成熟阶段,但早期的工程设计对海上升压站在靠船工况下的振动舒适性关注不够,相关的规范体系或可依据的准则也没有建立。针对实践中出现的这一问题,以位于江苏海域的某典型海上升压站结构为对象,进行了船舶碰撞工况下的动力数值模拟,分析了不同碰撞位置对结构响应的影响,以及上部组块不同区域的响应分布情况,并提出了改善舒适性的建议。     

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。     

屈曲利用因子约束下船体板架结构优化设计方法

船体板架结构在屈曲约束下的优化问题具有变量多和约束多的特点,且屈曲计算需借助有限元分析,属于大规模耗时优化问题,运用常规优化方法求解需要较高的计算成本。这里提出一种适用于屈曲约束下船体板架快速优化方法,该方法利用板格屈曲利用因子具有局部性的特点,对板格厚度自变量空间进行降维处理;利用板格屈曲利用因子对板格厚度具有单调性的特点,采用牛顿迭代方法求解其达到目标值的板格厚度;同时比较板格在相同重量增量下,加筋叠加板厚与仅加板厚对屈曲利用因子改善程度的大小决定是否加筋;通过两阶段的迭代寻优,快速获得最优的板厚以及防屈曲筋布置方案。某油船双层底优化结果显示,该方法能够在30步之内完成优化计算,优化效率高;优化方案相比原始方案减重达17.63%,绝大部分板格屈曲利用因子取值在0.9～1.0之间,材料得到充分利用。     

Design sensitivity analysis for vertical free vibration of hull girder

This paper presents a calculation method of derivatives of natural frequencies and mode shapes to parameters affecting vertical hull girder vibration based on design sensitivity analysis. The method premises free vibration analysis of hull girder using the transfer matrix method. Governing sensitivity equation is derived from the direct differentiation of state vector and transfer matrix to design variables. Derivatives of natural frequencies and mode shapes are determined after two trial calculations of the equation. By using the obtained derivatives, the changes of natural frequencies can be rationally and efficiently predicted in case of ship design modification and loading variation.     

Design similar scale model of a 10,000 TEU container ship through combined ultimate longitudinal bending and torsion analysis

This paper firstly figures out a similar scale model regarding ultimate strength experiment of a typical ultra large container ship (ULCS) through combined ultimate longitudinal bending and torsion analysis, in which the similarity theory is proposed to design the scale model for reflecting the progressive collapse behaviors of true ships in ultimate strength model test. The present study presents the similarity between scale model and true ship in cross-section considering the height of neutral axis, the section modulus, the inertia moment about neutral axis and the polar inertia moment should fit the geometrical similarity theory, and in strength considering buckling strength and shear ultimate strength of plates and stiffened panels should fit the strength similarity theory. Numerical investigations are conducted on the ultimate strength of a 10,000 TEU container ship and the similar scale model under pure hogging bending, pure torsion and combined bending and torsion, respectively. The nonlinear finite element method (NFEM) is adopted considering the effects of initial deformations and both material and geometric nonlinearities. Finally, the numerical results are compared with each other and discussed showing a good agreement in both elastic and inelastic range during the progressive collapse behaviors, which means the similar scale model can represent the true ship regarding ultimate strength test. And the similarity theory is verified quite stable after the uncertainty analysis.     

涌浪作用下港内大型集装箱船运动特性数值研究

随着船舶大型化和港口建设深水化发展,外海不同周期波浪作用下大型系泊船泊稳问题与小型系泊船相比出现了新的特点。为此,利用数值模型方法研究了在不同入射角度和周期的涌浪作用下港内大型系泊船的水动力响应,针对系泊船的泊稳情况探讨了船舶的运动规律和运动特性。研究发现,在涌浪周期较大的情况下,限定波高的泊稳标准不足以用来确定系泊船的正常作业条件,港内泊船的水平运动（纵荡、横荡和艏摇）极易超出运动标准值并影响装卸作业效率,并且船舶的水平运动表现出主要由次重力波主导的低频运动特性,而垂直运动（垂荡、横摇和纵摇）表现出主要由短波主导的波频运动特性。     

基于无网格MPS方法数值分析方舱破舱进水问题

采用移动粒子半隐式法(moving particle semi-implicit,简称MPS)对自由漂浮二维方舱的破舱瞬时进水过程进行数值模拟。首先,采用基于GPU平台自主开发的MPS软件模拟破舱进水问题,并与其他方法得到的数值模拟结果进行对比验证。然后,对该二维方舱的各种模型进行了数值模拟,其中开孔位于不同位置以表示舷侧不同高度下的损坏。此外,还研究了不同类型的挡板对破舱进水后方舱稳定性的影响。结果表明损坏的孔洞和内部挡板会影响损坏舱段的运动特性,开孔距静水面的距离越大引起舱段的横摇等运动幅度越大,垂直挡板比水平挡板对舱内洪水的影响更大。     

超声回弹综合法检测单一构件混凝土强度推定值的保证率分析

在实际工程检测数据的基础上,利用M on te C arlo试验对单一构件混凝土强度推定值的保证率问题进行了分析。30片梁板实测数据分析结果表明:将构件各测区混凝土强度换算值的最小值作为该构件的混凝土强度推定值的保证率范围为79.0%~94.2%,小于《超声回弹综合法检测混凝土强度技术规程》(CECS 02:88)规定的95%保证率要求,因此,对结构性能鉴定而言该混凝土强度推定值是偏于不安全的,应引起试验检测人员的充分重视。