船舶撞击作用下的重力式复合结构动力响应分析研究

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随着跨国经济的快速发展,对外贸易量呈逐年增加的趋势。运量的增加以及对运输成本的要求使船舶大型化成为一种趋势。现有的港口已经越来越难以满足大型船舶的吃水要求,而自然条件优越的天然良港选址所剩无几,港口深水化建设不得不在风大浪高、环境恶劣的海域中进行,这对传统的码头结构型式提出了更高的挑战。重力式复合结构是一种新型码头结构,它结合了重力式结构与桩基结构的优点。目前,针对该结构的相关研究还处于初级阶段,国内尚未见其工程实例,为了给重力式复合结构的设计施工提供依据,需要开展大量的基础性研究。由于上部结构的轻质性,船舶撞击是该结构的控制荷载。本文利用数值模拟的方法,研究斜桩-重力式复合结构的动力特性,重点分析其在船舶撞击作用下的响应情况,明确结构的刚度分布和受力机理。通过大型有限元分析软件ANSYS-Workbench结合参数化语言APDL进行二次开发,建立了考虑流固耦合作用的斜桩-重力式复合结构三维数值模型,分析了结构的自振频率和振型,探讨了流固耦合作用对结构动力特性的影响。利用显示动力学分析软件LS-DYNA模拟了船舶靠泊时,船舶-橡胶护舷-复合结构间的相互作用,得到了碰撞系统中各部分的位移、速度、应力和能量的时程变化曲线。模拟船舶以不同靠泊角度、质量和速度撞击重力式复合结构,得到了结构的动力响应以及船舶撞击力的时程变化,探讨了不同靠泊因素对船舶撞击力和结构动力响应的影响。基于位移法建立了重力式复合结构的刚度方程,求解了上部墩台的位移,为静力计算提供精度保证,利用静力计算模型得到了结构的位移和应力分布,并与动力计算结果进行对比,找到更为符合工程实际的计算模式。
摘要第5-6页
Abstract第6-7页
1 绪论第11-19页
    1.1 研究背景第11-13页
    1.2 研究现状第13-18页
        1.2.1 国内外应用情况第13-14页
        1.2.2 复合结构研究进展第14-15页
        1.2.3 船舶碰撞理论研究第15-16页
        1.2.4 流固耦合研究第16-18页
    1.3 本文研究工作第18-19页
2 基本理论与方法第19-25页
    2.1 结构动力分析理论第19-20页
        2.1.1 码头结构动力分析第19页
        2.1.2 结构动力学分析基本方程第19页
        2.1.3 结构动力学分析分类第19-20页
    2.2 碰撞与接触第20-21页
        2.2.1 碰撞基本方程第20-21页
        2.2.2 接触基本方程第21页
    2.3 流固耦合第21-25页
        2.3.1 流体运动控制方程第22-23页
        2.3.2 固体控制方程第23页
        2.3.3 流固耦合方程第23-24页
        2.3.4 流固耦合问题求解第24-25页
3 结构模态分析第25-41页
    3.1 模态分析方法第25-26页
        3.1.1 模态分析基础第25页
        3.1.2 ANSYS模态分析方法第25-26页
    3.2 重力式复合结构模态分析有限元模型的建立第26-29页
        3.2.1 重力式复合结构模型建立第26-27页
        3.2.2 数值模型材料选取第27页
        3.2.3 流固耦合模型建立第27-29页
    3.3 流固耦合模型验证第29-33页
        3.3.1 解析法求解单桩固有频率第29-31页
        3.3.2 计算结果分析第31-33页
    3.4 斜桩-重力式复合结构模态分析第33-39页
        3.4.1 模态分析模型选取第33-34页
        3.4.2 固有频率计算分析第34-36页
        3.4.3 振型计算结果分析第36-39页
    3.5 本章小结第39-41页
4 船舶撞击作用下的结构动力响应第41-57页
    4.1 LS-DYNA简介第41-42页
    4.2 船舶-结构动力响应分析第42-56页
        4.2.1 计算模型的建立第42-43页
        4.2.2 船舶撞击力理论计算第43-44页
        4.2.3 船舶撞击力的时程分布第44-46页
        4.2.4 船舶撞击作用下结构位移时程分布第46-49页
        4.2.5 船舶撞击作用下复合结构的应力时程分布第49-52页
        4.2.6 船舶靠泊过程中的能量时程分布第52-54页
        4.2.7 船舶靠泊速度时程分布第54-56页
    4.3 本章小结第56-57页
5 不同靠泊因素对结构动力响应的影响分析第57-69页
    5.1 计算工况第57页
    5.2 靠泊角度对结构动力特性的影响第57-62页
        5.2.1 靠泊角度对船舶撞击力的影响第58-59页
        5.2.2 靠泊角度对结构位移的影响第59-60页
        5.2.3 靠泊角度对结构应力的影响第60-62页
    5.3 靠泊速度对结构动力响应的影响第62-64页
        5.3.1 靠泊速度对船舶撞击力的影响第62页
        5.3.2 靠泊速度对结构位移的影响第62-64页
        5.3.3 靠泊速度对结构应力的影响第64页
    5.4 船舶质量对结构动力响应的影响第64-68页
        5.4.1 船舶质量对撞击力的影响第65页
        5.4.2 船舶质量对结构位移的影响第65-67页
        5.4.3 船舶质量对结构应力的影响第67页
        5.4.4 船舶速度与质量对结构动力响应的影响对比第67-68页
    5.5 本章小结第68-69页
6 结构静、动力计算对比第69-79页
    6.1 基于位移法的结构计算第69-73页
        6.1.1 高桩承台计算基础第69-70页
        6.1.2 位移法计算墩台位移第70-73页
    6.2 空间实体模型静力计算第73-76页
        6.2.1 结构应力分布第74-75页
        6.2.2 重力式复合结构位移分布第75-76页
        6.2.3 计算结果对比第76页
    6.3 静、动力计算结果对比第76-78页
    6.4 本章小结第78-79页
7 结论与展望第79-81页
    7.1 本文主要结论第79-80页
    7.2 研究展望第80-81页
参考文献第81-84页
致谢第84-85页
个人简历第85页
攻读硕士期间发表的学术论文与研究成果第85页
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