基于近場(chǎng)動(dòng)力學(xué)的海冰破壞數(shù)值模擬研究.pdf

1、隨著全球氣候變暖和北極航道的逐漸開(kāi)放，世界各國(guó)對(duì)極地地區(qū)的海洋運(yùn)輸與能源利用的興趣使極地海洋工程研究成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究熱點(diǎn)。海冰是影響極地海洋工程安全性的主要因素，而衍生于經(jīng)典連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的傳統(tǒng)數(shù)值方法在模擬海冰的復(fù)雜破壞過(guò)程時(shí)存在明顯的局限性，這一問(wèn)題限制了極地海洋工程的研究進(jìn)展。近場(chǎng)動(dòng)力學(xué)方法是一種采用積分形式求解運(yùn)動(dòng)方程的無(wú)網(wǎng)格方法，對(duì)于模擬復(fù)雜材料破壞具有明顯優(yōu)勢(shì)。本文應(yīng)用近場(chǎng)動(dòng)力學(xué)方法對(duì)海冰破壞過(guò)程進(jìn)行研究，主要內(nèi)容包括：<

2、br>　　詳細(xì)闡述了鍵型近場(chǎng)動(dòng)力學(xué)的基本理論和主要的數(shù)值方法。詳細(xì)討論了影響海冰力學(xué)性質(zhì)的主要因素，針對(duì)海冰的主要力學(xué)性能，構(gòu)建了一種滿足抗拉、壓強(qiáng)度不同和韌-脆轉(zhuǎn)換現(xiàn)象的基于鍵的近場(chǎng)動(dòng)力學(xué)材料模型。在鍵型近場(chǎng)動(dòng)力學(xué)彈脆性材料模型的基礎(chǔ)上，類比理想彈塑性模型的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，以鍵長(zhǎng)變化速率作為控制韌-脆材料轉(zhuǎn)換的變量，建立了鍵型近場(chǎng)動(dòng)力學(xué)海冰材料模型。
　　建立含有預(yù)置裂紋的二維和三維鍵型近場(chǎng)動(dòng)力學(xué)計(jì)算模型，研究模擬過(guò)程中的裂紋路

3、徑和應(yīng)力分布，將模擬結(jié)果分別與擴(kuò)展有限元和實(shí)驗(yàn)結(jié)果相對(duì)比，驗(yàn)證近場(chǎng)動(dòng)力學(xué)模擬結(jié)果的正確性。選取平板冰-加強(qiáng)板結(jié)構(gòu)和平板冰-剛性立柱接觸作為計(jì)算模型，采用鍵型近場(chǎng)動(dòng)力學(xué)模擬兩種工況下海冰與海洋工程結(jié)構(gòu)之間的擠壓破壞過(guò)程，分析數(shù)值模擬過(guò)程中的破壞現(xiàn)象、冰力分布和總冰力特點(diǎn)，將數(shù)值模擬結(jié)果與前人實(shí)驗(yàn)結(jié)果相對(duì)比，驗(yàn)證近場(chǎng)動(dòng)力學(xué)在典型極地海洋工程中應(yīng)用的可靠性。
　　由于鍵型近場(chǎng)動(dòng)力學(xué)不具有應(yīng)力/應(yīng)變的概念和無(wú)法直接引入本構(gòu)模型等缺陷，新近

4、提出了一種狀態(tài)型近場(chǎng)動(dòng)力學(xué)方法。本文詳細(xì)闡述了狀態(tài)型近場(chǎng)動(dòng)力學(xué)理論和相應(yīng)的數(shù)值方法。針對(duì)狀態(tài)型近場(chǎng)動(dòng)力學(xué)的優(yōu)勢(shì)，采用狀態(tài)型近場(chǎng)動(dòng)力學(xué)建立平板拉伸計(jì)算模型，與相應(yīng)的有限元計(jì)算結(jié)果對(duì)比應(yīng)力分布，并分析計(jì)算誤差。簡(jiǎn)要介紹彈塑性模型的主要理論，進(jìn)而在狀態(tài)型近場(chǎng)動(dòng)力學(xué)中引入線性強(qiáng)化彈塑性材料模型，建立彈塑性材料單向拉伸計(jì)算模型，根據(jù)加載-卸載過(guò)程的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系驗(yàn)證相應(yīng)材料模型的正確性，分析拉伸過(guò)程中的破壞現(xiàn)象和反作用力特點(diǎn)，采用狀態(tài)型近場(chǎng)動(dòng)力學(xué)