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极地冰区船舶与海洋工程水动力学基础理论研究

来源:http://www.17930ip.com 作者:威尼斯城所有登入网址 时间:2019-09-13 07:42
极地冰区船舶与海洋工程水动力学基础理论研究获重要进展

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近日,江苏科技大学教授吴国雄带领团队,研究得出了极地冰缘区断裂冰层带脉动源扰动流场显示积分解,并首次开发了断裂冰层带流场数值分析方法。相关成果发表在《流体物理学》上。

2018年9月中期近场动力学领域有五篇新文章上线,涉及海冰、颗粒材料、仿生材料和纤维复合材料的破坏模拟。其中颗粒材料在冲击波扰动下考虑颗粒间摩擦与内颗粒破裂的研究比较新颖,高速冲击下仿生结构的近场动力学破坏模拟也属首次。下面我按照上线的先后顺序依次简要介绍:

论文通讯作者吴国雄介绍,该项研究通过对扰动自由表面波和冰层内弯曲重力波各波浪成分的远方渐进特性分析,发现当冰区航道尺度较大时,在浮体与两侧冰层耦合作用过程中,可以只近似考虑非衰减成分波的影响。

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在此基础上,研究小组开发了大尺度冰区航道内浮体水动力的快速近似计算方法。通过该项研究,显式地揭示了冰区航道内船舶水动力随波浪场和冰区航道尺度的变化规律和作用机理。

论文第一作者、研究小组成员李志富告诉记者,该项研究发现,与开场水域中波物作用问题不同,断裂冰层带覆盖流场中的结构物,其所受水动力载荷随频率震荡变化,在波浪入射场中更容易发生大幅共振运动。研究首次揭示了弯曲重力波布拉格共振对断裂冰层带海洋结构物水动力特性的影响规律,即:在stopping band内,物体的水动力特性基本不随两侧断裂冰层数目发生变化,而在stopping band外,随着两侧断裂冰层数目的增加,物体的水动力将随频率变化震荡更加剧烈。

海冰弯曲破坏的近场动力学数值计算方法研究

据悉,该项研究从势流理论出发,首次系统地推导了断裂海冰覆盖流场中脉动格林函数的显式积分表达式,颠覆了以往学者们普遍认为在极地非连续冰区脉动源扰动流场不存在显示积分解的观点。研究中得到的显示积分解,非常适合于极地冰区海洋结构物水动力数值分析程序的开发。

随着北极海冰在全球气候变暖趋势下的迅速消融,北极航道的夏季通航和寒区海洋油气资源的开发使得冰区航运需求不断增强,极地工程成为现阶段国内外学者的研究热点。而冰载荷作为影响极地船和海洋结构物安全性的主要因素,是极地工程研究的核心内容之一。在海冰与海洋结构物相互作用过程中,海冰的破坏模式对冰载荷的计算有着重要的影响。

此外,研究中还首次得到了非连续冰区流场多极函数,并给出了规则柱体的标准解析式。相关研究对我国极地船舶与海洋工程装备的设计研发,具有十分重要的理论指导意义。

基于连续介质的有限元方法作为数值求解冰载荷的主要方法,在求解域不连续问题时,网格的重新划分往往导致计算效率的大幅下降。近场动力学是一种新兴的基于非局部作用思想的数值计算方法,通过位移积分形式求解控制方程,在处理不连续问题上具有独特优势。因此,本文基于近场动力学理论,结合海冰特性,开展了海冰的弯曲破坏及其与海洋结构物相互作用的数值计算方法研究。

相关论文信息:

文章首先详细地阐述了键型近场动力学和两种状态型近场动力学的基本理论及数值计算方法,并分别针对其方法的优势和局限性做了叙述。在键型近场动力学模型的基础上提出物质点间的微梁模型,以克服其应用方面受到的材料泊松比的限制。在状态型近场动力学的阐述中,引入极分解定理,在面对几何非线性和材料非线性的大变形问题中保证材料本构方程的框架不变形,并对基本状态量进行分解,为后文的数值计算进行铺垫。结合海冰的物理力学性质,针对海冰在高速加载率下的三点弯曲实验,引入弹脆性材料本构模型,并以最大主应变为断裂准则,建立冰梁的近场动力学模型进行数值模拟,分析数值模拟中的应力分布及局部破坏现象,与实验中测得的结果进行对比,验证了数值模型的准确性。由于近场动力学三维理论的离散中,其搜索邻域定义为球体,这要求在进行材料模型离散时,该模型至少具有双层粒子,因此为了提高计算效率,针对伯努利梁和柯西霍夫薄板等薄结构提出低维近场动力学模型,通过引入系数使其表达式中涵盖材料的厚度和弹性模量等其他材料基本参数,对薄板结构的弯曲变形进行计算,并将其挠度曲线与解析式或Ansys模拟结果进行对比,验证了该模型的准确性。分别对二维、三维层冰与倾斜结构的相互作用过程进行数值模拟研究,针对影响其破坏半径的冰速、冰厚及斜坡倾角等因素进行了分析和讨论,对层冰——倾斜结构相互作用过程中裂纹的产生及扩展进行详细分析,并将数值模拟所得的水平冰力与理论计算结果进行对比,验证了该模型的准确性。

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图:冰层前端局部破坏示意图

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图:数值模拟过程中冰层的破坏示意图

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含内颗粒断裂的颗粒材料中冲击波扰动衰减试验的近场动力学模拟

冲击波扰动衰减试验是一项可展示冲击波在材料中传播时波阵面扰动演化过程的技术。该方法最近已被研究用于探测颗粒材料的高速剪切响应。因为涉及到内颗粒间现象,所以这种材料的动态行为很复杂。介观尺度模拟可以通过直接明确地求解个体颗粒的相互作用及变形从而解释这种复杂现象。近场动力学理论是一套非局部连续介质理论,对涉及断裂的动态问题提供了合适的建模框架。先前的研究大多集中于连续体的整体响应,忽略了颗粒材料局部失效的情况。本文通过对冲击波扰动衰减试验进行近场动力学模拟,系统研究了颗粒断裂和颗粒间摩擦接触力对颗粒材料连续行为的影响。对主要因素的敏感性评估表明,颗粒断裂这种在大多数颗粒材料的计算研究中被忽略的现象,却在整体动态响应上起着重要作用。本文的研究结果表明,材料的韧性和颗粒间摩擦越大,波传播得越快。并且,材料韧性越大,冲击波振幅衰减越快。并进一步证实了在强烈挤压作用下断裂颗粒子颗粒间的自接触是不容忽视的。

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图:波前沿到达1mm位置时节点速度云图。文中的算例B显示出波到达相同位置更快,并且粒子速度更加分散。子图是文中算例A的结果;子图是文中算例B的结果。

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离散和连续线性键型近场动力学系统针对波频散的对比研究:一维框架

本文通过考虑线性键型近场动力学杆的离散和连续系统,对波频散行为进行了对比研究。在离散系统中,数值弥散非常明显,因此在较低的波数时,无法捕捉到经典行为。本文应用运动光谱分析,说明了存在无数值弥散的可能性。

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图:线性键型近场动力学杆中连续和离散系统之间群速度的比较

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高速冲击下仿生结构中动态断裂的近场动力学模拟

仿生抗损伤模型有着诸如砖砌式、沃罗诺伊、螺旋式等等不同的模式,它们在高速冲击下展现出卓越的减轻损伤的能力。这些独特的模式通过有效分散冲击产生的应力波,从而增加了材料的抗损伤性(在某些情况下可以达到组分材料的3000倍)。如果能大规模地模仿这些结构,将颇具开创性并且有着很大的应用前景。3D打印技术的不断发展使得这些模式的简易和低成本制作成为可能。仿生结构动态断裂的研究还相当有限,但其对于抗冲击性能增强材料的发展至关重要。

在这篇论文中,作者们通过近场动力学模拟研究了仿生材料中的损伤。首先3D打印了一个砖砌式结构,82%的VeroClear塑料(一种3D打印中的有机玻璃替代品;硬相)以及18%的TangoBlack橡胶(一种3D打印中的天然橡胶替代品;软相)。通过固定的以及自由边界条件下的低速跌落试验研究了3D打印试样中的损伤。在自由边界条件下,该冲击速度工况中未观察到损伤,然而当试样搁置在固定金属台上时,此工况产生了裂纹。

本文率先通过动态脆性断裂的3D近场动力学模型证明了它与Kalthoff-Winkler冲击试验相悖,该实验中预置裂纹的金属靶板受到速度为32m/s的圆柱撞击器的冲击,产生了与冲击方向呈70°角的脆性裂纹。本文还根据有机玻璃和橡胶的材料性质建立了一个新的砖砌式微结构近场动力学模型。因为模拟试验中所用的支承台太过繁琐,所以采用自由边界条件以及更高的冲击速度以观察砖砌式结构近场动力学模型中的损伤。在这些工况下,损伤限制在相互接触的砖块体之中,软相限制了损伤的扩散。从试验中观察到,其他边界条件容易引起波反射以及强化作用,从而导致远离冲击点的其他砖块体中也产生了损伤。

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图:在软质相单水平层中,为收敛性研究设定的测试模型。蓝色代表硬质相,红色代表软质相。碰撞块是直径为2.5mm的球形。

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图:单水平层算例中损伤分布云图

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基于能量损伤准则下承受横向拉伸荷载复合材料的纤维-基体剥离及基体失效机理的近场动力学分析

在纤维增强塑料的上浆过程中需要可靠的模拟方法以及失效准则。近场动力学在预测损伤演变过程及相互作用方面是一种很有前景的数值方法。本文对线性近场动力学固体材料实施了一种全新的基于能量的失效准则,并将其应用于FRP结构的微观力学损伤分析中。新准则更加实际地复现了塑性材料的失效模式,并且网格依赖性小,而且仅需要物理可测量参数。最后将新准则的结果与参考准则的结果进行了比较,并用试验观测值进行了评估。

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图:基于代表性体积元的有限元模型

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图RVE:临界拉伸失效模式

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近场动力学理论是国际上刚兴起的基于非局部作用思想建立的一整套力学理论体系,用空间积分方程代替偏微分方程用以描述物质的受力情况,从而避免了传统连续力学中的微分计算在遇到不连续问题时的奇异性,所以特别适用于模拟材料自发地断裂过程。然而,因为近场动力学的数学理论内容丰富且与传统理论差别较大,目前的相关文献又以英文表述为主,所以很多朋友在一开始学习时会遇到一些困难。因此,我于2016年9月建立了此微信公众号,希望通过自己的学习加上文献翻译和整理,降低新手学习近场动力学理论的入门门槛,分享国际上近场动力学的研究进展,从而聚集对近场动力学理论感兴趣的华人朋友,为推动近场动力学理论的发展做一点儿贡献!

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