Численное моделирование процессов деформирования корпусных конструкций при столкновении судов

• Автор: Васильев, Роман Викторович
• Шифр специальности: 05.08.01
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2013
• Место защиты: Санкт-Петербург
• Количество страниц: 210 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1 ОБЗОР РАБОТ ПО ПРОБЛЕМАМ УДАРОПРОЧНОСТИ СУДОВЫХ

КОНСТРУКЦИЙ ПРИ СТОЛКНОВЕНИИ

ГЛАВА 2 МОДЕЛИ, ОСНОВАННЫЕ НА МЕТОДЕ КОНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ И

ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ В ИССЛЕДОВАНИИ

2Л Общие положения

2.2 Применение метода конечных элементов для решения динамических задач..

2.2.1 Неявные схемы интегрирования уравнений метода конечных элементов.

2.2.2 .Явные схемы интегрирования уравнений метода конечных элементов..

2.3 Моделирование процессов внутренней механики при анализе ударопрочности

2.3.1 Свойства материалов в динамических процессах деформирования
2.3.2 Накопление поврежденное при пластических деформациях
2.3.3 Особенности контактного взаимодействия конструкции при ударе
2.3.4 Учет трения при ударном взаимодействии конструкции
2.3.5 Особенности моделирования разрушения при ударном взаимодействии
судовых конструкций и используемые критерии разрушения
2.4 Моделирование процессов внешней механики таранящего судна при анализе ударопрочности
2.4.1 Моделирование поведения внешней среды в моделях метода конечных элементов
2.4.2 Моделирование контактного взаимодействия конструкции с внешней средой
в моделях метода конечных элементов
2.5 Выводы по главе
ГЛАВА 3 ПРОВЕДЕНИЕ ЧИСЛЕННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ СТОЛКНОВЕНИЯ СУДОВ И ПРОВЕРКА РАСЧЕТНЫХ ПРОЦЕДУР НА ОСНОВЕ ЭКСПЕРИМЕНТА
3.1 Основные положения методики проведения численного анализа столкновения судов
3.2 Условия проведения эксперимента
3.3 Численное моделирование процессов физического эксперимента на основе метода конечных элементов
3.4 Сравнительный анализ форм деформирования и разрушения в физическом эксперименте и численном моделировании
3.5 Сравнительный анализ интегральных характеристик ударопрочности, полученных в ходе физического эксперимента и численного моделирования
3.6 Выводы по главе
ГЛАВА 4 ОЦЕНКА ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ НЕКОТОРЫХ АНАЛИТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ ПРИ РЕШЕНИИ ЗАДАЧ АВАРИЙНОЙ ПРОЧНОСТИ СУДОВ ПРИ СТОЛКНОВЕНИИ
4.1 Общие положения
4.2 Методы, основанные на использовании модели гибких нитей
4.2.1 Применение к расчету несущей способности бортового перекрытия
4.2.2 Применение к расчету несущей способности палубного перекрытия
4.3 Инженерные методы, основанные на использовании модели жесткопластической струны на жесткопластичсском основании
4.4 Сравнительный анализ решений, полученных по аналитическим зависимостям с решением по методу конечных элементов на основе экспериментальных данных
4.5 Выводы по главе
ГЛАВА 5 ЧИСЛЕННЫЙ АНАЛИЗ ПОВЕДЕНИЯ РАЗЛИЧНЫХ ТИПОВ СУДОВЫХ КОНСТРУКЦИЙ ПРИ СТОЛКНОВЕНИИ И ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ УДАРОПРОЧНОСТИ

5.1 Расчетные исследования ударопрочности перекрытий, имеющих продольную систему набора
5.1.1 Описание расчетных постановок
5.1.2 Результаты и выводы по выполненным расчетам
5.2 Расчетные исследования ударопрочности перекрытий, имеющих поперечную систему набора
5.2.1 Описание расчетных постановок
5.2.2 Результаты и выводы по выполненным расчетам
5.3 Расчетные исследования ударопрочности перекрытий в составе фрагмента отсека корпуса
5.3.1 Описание расчетных постановок
5.3.2 Результаты и выводы по выполненным расчетам
5.4 Расчетные исследования аварийной прочности трехслойных панелей различных типов
5.4.1 Решение задачи статического нагружения
5.4.2 Решение задачи статической устойчивости
5.4.3 Решение динамической задачи удара
5.4.4 Сопоставительные результаты расчетов и выводы
5.5 Расчетные исследования ударопрочности традиционных и перспективных конструкций грузовых отсеков танкеров
5.5.1 Особенности исследуемых конструкций грузовых отсеков
5.5.2 Расчетные модели и постановки
5.5.3 Удар таранящего бульбового носа в бортовое перекрытие
5.5.4 Удар таранящего форштевня в район соединения палубного и бортового перекрытий
5.5.5 Удар дрейфующих объектов в бортовое перекрытие
5.6 Выводы но главе
ГЛАВА 6 ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА СТОЛКНОВЕНИЯ СУДОВ С УЧЕТОМ ВНЕШНЕЙ ДИНАМИКИ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ТАРАНЯЩЕГО СУДНА С ВНЕШНЕЙ СРЕДОЙ
6.1 Общие положения
6.2 Постановка задачи исследования
6.3 Результаты численного моделирования
6.4 Выводы по главе
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ВВЕДЕНИЕ
Морские перевозки остаются одним из наиболее популярных в мире видов транспортировки грузов, ввиду своей сравнительно невысокой стоимости и возможности перевозить большие объемы. Строительная механика корабля изучает особенности поведения элементов конструкции судового корпуса при воздействии внешних нагрузок. Основные принципы этой науки были сформулированы ее основателем великим русским ученым И.Г. Бубновым на рубеже XIX - XX веков. В течении более ста лет крупнейшие ученые исследовали особенности расчетов статического и динамического отклика судовых конструкций, выявление особенностей упругого и пластического деформирования. Основы исследуемого направления были заложены в работах крупнейших ученых, таких как П.Ф. Папкович [63-66], Ю.А. Шиманский, В.В. Новожилов [61, 62]. В настоящее время одним из активно развивающихся направлений науки являются проблемы ударопрочности корпуса грузовых судов, перевозящих опасные токсичные грузы, такие как нефть, сжиженный газ и другие опасные вещества, попадание которых в окружающую среду может привести к катастрофическим последствиям. Удар, приходящийся в борт судна может спровоцировать разгерметизацию грузового отсека. Процессы деформирования корпусных конструкций проходят в условиях глубокого пластического деформирования. Среди работ, посвященных исследованиям в области теории пластичности можно отметить работы
H.H. Малинина [51], Д.Д. Ивлева [34, 35], Н.И. Безухова [3], М.И. Ерхова [30, 31], A.A. Гвоздева [21, 22], работы зарубежных авторов Р. Мизеса [52]. Р. Куранта и Д. Гильберта [44, 45], Друкера и Прагера [25-27], проблемы определения прочностного ресурса при достижении предельного состояния конструкции исследовались в работах Л.М. Беленького [4-6], Г.В, Бойцова и О.М. Палия [10, 11], H.H. Волкова и С.Б. Кодацкого [19].
Вопросы столкновения судов можно разделить на проблемы внутренней механики деформирования элементов конструкций при
эффекты в некоторых моделях материала используют параметр поврежденности. Изучению ресурса пластичности металлов посвящены множество работ [40], [67], [9].
В расчетных исследованиях, представленных в работе, используется изотропная модель поврежденности сплошной среды, предложенная Леметром [101]. Эффективные напряжения в элементе рассчитываются по формуле:

а=1 -О’ (2.38)

о - напряжения, полученные без учета поврежденности;
В - параметр поврежденности (0<£><1).
Выражение для вычисления переменного параметра поврежденности выглядит следующим образом:

° = 'при (г>г* и СГ|>0')’ ('2'39')

г - накопленная пластическая деформация;
У - плотность энергии деформаций;
5 - положительная постоянная материала;
О - параметр поврежденности на предыдущей стадии нагружения. Накопленная пластическая деформация г определяется по формуле: г=е^(-В), (2.40)

£'# - эффективные пластические деформации.
Плотность энергии деформаций У определяется по формуле:
2Щ-ВУ
* (2-41)