1。2 船舶碰撞研究现状及方法

1。3 本文主要研究内容

本文中FPSB典型舷侧舱段结构为研究对象，基于有限元数值仿真技术，结合碰撞动力学相关理论和最新成果，研究其舷侧遭受5000吨补给船在船艏撞击下的力学性能，并对结构进行优化设计。主要研究内容如下：

（1）介绍了碰撞研究的背景及对FPSB舷侧结构被撞性能研究的意义，初步介绍了国内外有关碰撞机理的研究现状和关于碰撞研究的方法。

（2）基于显式非线性有限元仿真技术和数值建模技术，初步探讨了材料模型建立基本理论、接触算法的定义、最小单元失效尺寸确定、沙漏控制及显示非线性方法的求解等基本问题，同时确立了碰撞场景和碰撞模型。论文网

（3）根据仿真模拟碰撞过程，得到相应计算工况下的构件位移变形、能量吸收和碰撞力等曲线结果，发现舷侧外板、纵骨等结构参数对碰撞性能影响很大。

（4）在研究结构损伤变形、碰撞力和能量吸收情况的基础上，改变不同碰撞参数对结构碰撞性能的影响进行对比分析。由于舷侧外板和纵骨纵桁尺寸参数对结构碰撞性能影响较大，在最危险工况下对主要尺寸参数组合进行敏感性分析，全面评估各个尺寸组合下结构的碰撞性能，确定结构的较优尺寸组合。

第二章 有限元数值仿真的基本理论和关键技术

2。1 引言

本章重点讨论大型浮式结构物在碰撞过程中所涉及到的有限元基本理论和关键技术，包括显式非线性有限元控制方程及其求解方法，通过介绍有限元数值仿真建立FPSB舷侧结构模型，模拟碰撞过程。

2。2 有限元方法的发展

20世纪90年代以前，有限元数值分析受到计算机硬件设施的制约不能发挥出应有的优势。然而有限元数值仿真技术能够在一定程度上实现模拟船舶的碰撞过程，取代了很多不必要的真实碰撞试验，其优势慢慢得到显现。但是由于动态模拟有限元仿真模型的碰撞过程，需要先进的计算机硬件设备以满足计算的要求。与此同时为了得到更加可靠的计算结果，往往需要花费大量计算时间。Lenselink等人使用MSC/DYNA非线性有限元软件，研究船舶碰撞的数值仿真过程。随着研究的深入，研究者们发现在计算过程中，结构模型通常将伴随着材料的断裂失效，同时发生大规模的塑性变形，难以得到准确的模拟结果。因此更多的研究者投身于有限元数值仿真中技术性难点的研究热潮中。计算机硬件技术的迅速发展，有限元数值仿真技术在船舶碰撞研究中的作用受到极大重视，适用范围变得更加广泛。有限元数值仿真技术解决了结构变形从线弹性到弹塑性再到弹粘塑性，从小变形到大变形，从静力问题到复杂的动力接触直至瞬态碰撞响应问题，应用越加广泛，有利于对结构的耐撞性能进行更加精确的数值分析。

有限元方法中主要使用变分原理和加权余量法[37]。该方法将整个计算域划分为有限个互不重叠的单元，针对分域中每个小单元的节点作为求解函数的插值点。然后将微分方程中的变量设置成由各变量或其导数的节点值，这样便与使用的插值函数组成线性表达式，对离散方程求解。不同的有限元分析方法中所使用的权函数和插值函数的形式也不一定全部相同。

2。3 非线性有限元控制方程

在建立弹塑性有限变形的非线性有限元方程时，考虑到周围水域对船体结构产生的影响，通常将相撞船舶结构周围的水域划分为Euler有限体积网格，而使用Lagrange有限元网格来划分船体结构部分，以便进行区别。流体-结构耦合算法是该计算方法中的重点，将Euler网格和Lagrange网格结合为整体，这样就能够解决构件周围水域和船体结构之间发生相互影响的问题，从而得到碰撞接触区域中各构件的碰撞力、能量变化情况和塑性变形等曲线。Lagrange法一般情况下用于描述有关固体力学和结构力学的公式；而Euler方法边界不断变化，需要不断建立新的控制体积，适用于具有固定控制体积物质的运动分析，如流体力学中的大位移结构问题。