摘 要

随着北极航道的开发，冰区作业的海洋平台因停留在固定海域，往往会遇到和浮冰相撞的问题，海洋平台结构安全存在很大隐患，因此海洋平台-冰碰撞动力学的研究已成为国内外的一个热点。

首先，本文对海洋平台-冰碰撞简化模型进行研究，将海洋平台简化为四边刚性固定的方形板，冰体简化为楔形块，并在此基础上设计了水平式海洋平台-冰碰撞简化模型实验装置，包括实验基座、夹具、滑架和小车，绘制出详细图纸交付施工。其次，本文采用非线性有限元软件ANSYS/LS-DYNA对比分析了实验基座在强撞击工况和正常撞击工况下的结构动态响应，校核基座的强度及刚度是否满足要求。除此之外，还模拟了冰-板碰撞中理想和真实边界条件对板变形的影响，通过分析仿真得到的数据，衡量实验设计的刚性固定边界条件是否满足要求。最后，作者对全文进行了总结并展望了未来的工作。

关键词：海洋平台-冰碰撞；实验装置设计；ANSYS/LS-DYNA；数值仿真

Abstract

With the development of the Arctic waterways，platform operating in ice area will inevitably suffer from the impact of floating ice. The research on the response of platform-ice collision has become a hot topic at home and abroad.

In this paper，a simplified model of the platform-ice collision is studied. The platform is simplified as a square plate with rigid fully clamped boundary conditions. On this basis，a horizontal simplified model experimental device is designed for platform – ice collision，including the experimental base，clamp，slide frame and experimental car. Secondly，a nonlinear finite element software ANSYS/LS-DYNA is used to analyze the structural dynamic response of the experimental rig under the severe impact conditions and the normal impact conditions to check the strength and stiffness of the rig. In addition，the influence of the ideal and real boundary conditions on the deformation of the plate is simulated，and the data obtained from the simulation are analyzed to check whether the rigid fixed boundary condition of the experimental design meets the requirements. Finally，a summary of the work and prospects the future work are given.

Key Words：platform-ice collision；experimental device design；ANSYS/LS-DYNA；numerical simulation

目 录

第一章 绪论 1

1.1选题目的及意义 1

1.2国内外研究现状 2

1.2.1理论方法 2

1.2.2数值仿真 2

1.2.3实验方法 4

1.2.4事故调查 4

1.3本论文的主要工作 5

第二章 实验理论基础及初步设计方案确定 6

2.1相似理论 6

2.2力学理论 7

2.2.1概述 7

2.2.2塑性力学中应力应变曲线的理想化模型 8

2.3冲击和碰撞试验的分析讨论 9

2.4简化模型试验的初步方案确定 10

2.4.1总体设计 10

2.4.2实验数据测量系统设计 10

2.4.3实验误差讨论 12

第三章 简化模拟实验装置的设计与加工 13

3.1引言 13

3.2地基的准备工作 14

3.3实验基座的设计 16

3.3.1实验基座 16

3.3.2夹具和试板 17

3.4滑架的设计 18

3.5小车的设计 19

3.6实验设计成果展示 20

第四章 海洋平台与冰简化模型碰撞数值仿真 23

4.1LS-DYNA非线性有限元分析软件介绍 23

4.2实验基座的数值仿真 23

4.2.1建立碰撞模型 24

4.2.2材料类型及参数 24

4.2.3网格划分 25

4.2.4主要参数设置与控制 25

4.2.5求解 25

4.2.6数值仿真结果 26

4.2.7与比正常工况对比分析 28

4.3数值模拟边界条件对冰—板碰撞结果的影响 30

第五章 结论与展望 34

5.1本文结论 34

5.2后续工作与展望 34

参考文献 35

附录 37

致谢 38

第一章 绪论

1.1选题目的及意义

自从进入21世纪，人类开始全面开发利用海洋。世界各国，尤其是沿海国家，为了提高国际竞争力，从海洋中谋取更大的利益，把开发、保护海洋和抢占、拓展海洋空间上升为21世纪的国家发展战略。然而，在全球的海洋中，海冰的分布面积约为3770万平方千米，这大概是全球洋面的11.8%，约占地球表面的7.3%，假如再把冰山分布的地区也加进去，那么包括流冰在内的海冰面积为7260万平方千米，占地球表面的14.2%，约为全球洋面的22.9%。可以说，人类在这些海域的各项活动，特别是海洋战略的实施都不可避免的会遇到海冰问题^[1]。

诸多国家的结冰海域，尤其是在北极地区，北极地区的能源丰富可观，全球未探明的化石燃料，有约13%的原油和30%的天然气蕴藏在北极圈以内。随着全球气候变暖，北冰洋海冰融化加速，北极地区蕴藏的丰富资源和极具战略价值的航道，都从潜在利益变成了现实利益，世界各国对该地区的争夺日益升温。在我国，辽东湾、渤海湾和莱州湾也相继勘探出多个浅海大油田。在这些低温多冰、气候极其恶劣的环境下开采油气资源不可避免要用到海洋平台等基础性设施，如图1.1所示。