一种船用核动力装置冰激疲劳分析方法制造方法及图纸

本发明专利技术属于核动力船舶设计技术领域，具体涉及一种船用核动力装置冰激疲劳分析方法。包括以下步骤：(1)建立承载HDL装置的船舶或平台的整体有限元模型；(2)选取海冰离散元参数，构建海冰单元粘结

【技术实现步骤摘要】
一种船用核动力装置冰激疲劳分析方法


[0001]本专利技术属于核动力船舶设计
，具体涉及一种船用核动力装置冰激疲劳分析方法。

技术介绍

[0002]对于HDL(核动力)装置而言，长期的高低频载荷对于其装置的安全性有重要影响，疲劳分析是HDL装置设计的重要环节之一。
[0003]对于长期在海冰环境航行、作业的船舶或海工结构，冰激载荷是诱发结构疲劳破坏的重要因素。因此，冰载荷作为HDL装置疲劳分析的力学输入之一，必须予以考虑。
[0004]目前，国内外船舶设计多采用数值模拟方法分析冰激疲劳载荷，但对于数值模拟的准确性缺少验证手段，且目前的分析方法往往仅限于船舶或海工结构的船体外板相关结构，对于其内部的设备(如核动力装置)、连接机构的疲劳分析并不适用。如何实现较为可靠的核动力装置冰激疲劳分析，对于核动力装置的结构安全至关重要。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是本专利技术的目的在于提供一种可适用于长期在海冰环境中作业的核动力装置受冰激载荷影响的疲劳分析方法，旨在为核动力装置的安全性提供保障。
[0006]本专利技术的技术方案如下：一种船用核动力装置冰激疲劳分析方法，包括以下步骤：
[0007](1)建立承载HDL装置的船舶或平台的整体有限元模型；
[0008](2)选取海冰离散元参数，构建海冰单元粘结
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破碎模型，建立离散元数值冰池；
[0009](3)基于国际船级社协会POLAR CLASS规范，计算船艏4个点位的冰载荷值；
[0010](4)基于若干组平整冰工况，采用冰阻力半经验公式计算全船冰阻力均值；
[0011](5)基于不同厚度平整冰工况，开展模型冰池试验，获取全船冰阻力均值；
[0012](6)在数值冰池中模拟船艏4个点位分别撞击海冰边缘角的工况，获取冰载荷值；
[0013](7)在数值冰池中模拟船舶在与步骤(4)和步骤(6)一致的平整冰通行的工况，对应获取全船冰阻力均值；
[0014](8)比较步骤(3)获取的冰载荷值与步骤(6)获取的冰载荷值，确认误差是否在20％以内；
[0015](9)比较步骤(4)获取的全船冰阻力均值与步骤(7)获取的全船冰阻力均值，确认误差是否在20％以内；
[0016](10)比较步骤(5)获取的全船冰阻力均值与步骤(7)获取的全船冰阻力均值，确认误差是否在20％以内；
[0017](11)若任何误差超过20％的，调整海冰离散元参数；
[0018]重复步骤(2)
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步骤(11)，直至满足全部误差在20％以内；
[0019](12)分析HDL船舶冰区航行工况及概率分布；
[0020](13)通过数值冰池模拟每个航行工况，获取每个工况HDL装置所需位置的加速度
时程曲线；
[0021](14)将加速度时程曲线转化为可供HDL装置疲劳分析的加速度谱；
[0022](15)建立HDL装置有限元模型；
[0023](16)加载步骤14获取的加速度谱并开展疲劳分析；
[0024](17)将疲劳分析结果与设计疲劳寿命进行对比；
[0025](18)根据分析结果，对不满足设计的区域进行设计优化、模型修改并重复步骤(16)
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(17)直至分析结果全部满足设计要求。
[0026]优选的，所述的步骤2中的海冰单元粘结
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破碎模型，用于模拟船舶在海冰环境中航行时，船
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水
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冰三者耦合运动状态；其中的，海冰离散元模型通过采用因法向、切向弹性变形引起的弹性力模型模拟单元间的粘结力，并以法向拉伸强度和切向粘结强度为基准建立单元间的粘结力失效准则。
[0027]优选的，所述的步骤2中的海冰单元粘结力采用因法向和切向弹性变形引起的弹性力模型；海冰单元失效准则表示为σmax＜σb或τmax＜τb，其中σb为法向拉伸强度，τb为切向粘结强度。
[0028]优选的，所述的步骤3中的根据国际船级社协会IACS出台的POLAR CLASS规范计算出船舶艏部结构四个碰撞点3所受的冰载荷值；在数值冰池中建立与之一致的海冰厚度，以规范计算选取的船艏四个碰撞点撞击平整海冰边缘角，获取各点所受到的冰载荷值，与规范计算结果进行对比，验证误差是否均在20％以下；
[0029]选取大于2组不同的海冰环境参数、船舶航速，根据冰阻力半经验公式计算出全船冰阻力均值；在数值冰池中建立与之一致的若干个工况，获取各工况下的全船冰阻力均值，并与半经验公式获取的冰阻力均值进行对比，验证误差是否均在20％以下。
[0030]优选的，所述的步骤4中平整冰工况至少包括设计冰厚工况和一个以上的其他冰厚工况。
[0031]优选的，所述的步骤4中冰阻力半经验公式采用Lindqvist公式或Riska公式。
[0032]优选的，所述的步骤9中通过模型冰池试验，获取若干个工况下的全船冰阻力均值；在数值冰池中建立与之一致的若干个工况，获取各工况下的全船冰阻力均值，并与模型冰池试验获取的冰阻力均值进行对比，验证误差是否均在20％以下；
[0033]若上述验证误差全部在20％以下，则证明所建立的数值冰池具有极高的可靠性，通过该冰池计算所得结果具有极高准确性；
[0034]若上述验证误差存在超过20％的情况，则需要调整海冰参数，重新构建海冰单元粘结
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失效模型，再重新进行对比验证；直至验证误差全部在20％以下。
[0035]优选的，所述的步骤12中通过分析核动力船舶运营规划及航路航线情况，确定其遭遇不同的航行工况的数量及其概率分布；通过数值冰池模拟前述各工况，获取各工况核动力装置目标位置的加速度时程曲线。
[0036]优选的，所述的步骤13中HDL装置所需位置包括装置重心、安全壳几何中心点、安全壳周界点、安全壳中心点与周界点所连直线的定距等分点。
[0037]优选的，所述的步骤14中采用雨流计数法将加速度时程曲线转化为恒幅或变幅加速度谱。将加速度时程曲线转化为可供核动力装置疲劳分析使用的加速度谱；采用雨流计数法将加速度时程曲线转化为变幅或恒幅的加速度谱。
[0038]本专利技术的有益效果在于：采用有限元与离散元相结合的数值模拟方法；采用规范计算、冰阻力半经验计算、船模冰池试验三重验证数字冰池的可靠性；采用弹性力学模型模拟海冰单元粘结力；将所受冰载荷以加速度时程曲线形式输出；可适用于船体设计与HDL装置设计分别开展的设计场景；将冰激载荷作用下的加速时程曲线转换为可作为核动力装置疲劳分析力学输入的加速度谱；结合全航行周期内不同工况及其概率分布进行整合，确保了所获取的加速度谱更接近实际运营环境。
附图说明
[0039]图1为本专利技术所提供的一种船用核动力装置冰激疲劳分析方法流程图；
[0040]图2为数值冰池示意图；
[0041]图3为船艏撞击海冰边缘角；
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种船用核动力装置冰激疲劳分析方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)建立承载HDL装置的船舶或平台的整体有限元模型；(2)选取海冰离散元参数，构建海冰单元粘结
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破碎模型，建立离散元数值冰池；(3)基于国际船级社协会POLAR CLASS规范，计算船艏4个点位的冰载荷值；(4)基于若干组平整冰工况，采用冰阻力半经验公式计算全船冰阻力均值；(5)基于不同厚度平整冰工况，开展模型冰池试验，获取全船冰阻力均值；(6)在数值冰池中模拟船艏4个点位分别撞击海冰边缘角的工况，获取冰载荷值；(7)在数值冰池中模拟船舶在与步骤(4)和步骤(6)一致的平整冰通行的工况，对应获取全船冰阻力均值；(8)比较步骤(3)获取的冰载荷值与步骤(6)获取的冰载荷值，确认误差是否在20％以内；(9)比较步骤(4)获取的全船冰阻力均值与步骤(7)获取的全船冰阻力均值，确认误差是否在20％以内；(10)比较步骤(5)获取的全船冰阻力均值与步骤(7)获取的全船冰阻力均值，确认误差是否在20％以内；(11)若任何误差超过20％的，调整海冰离散元参数；重复步骤(2)
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步骤(11)，直至满足全部误差在20％以内；(12)分析HDL船舶冰区航行工况及概率分布；(13)通过数值冰池模拟每个航行工况，获取每个工况HDL装置所需位置的加速度时程曲线；(14)将加速度时程曲线转化为可供HDL装置疲劳分析的加速度谱；(15)建立HDL装置有限元模型；(16)加载步骤14获取的加速度谱并开展疲劳分析；(17)将疲劳分析结果与设计疲劳寿命进行对比；(18)根据分析结果，对不满足设计的区域进行设计优化、模型修改并重复步骤(16)
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(17)直至分析结果全部满足设计要求。2.如权利要求1所述的一种船用核动力装置冰激疲劳分析方法，其特征在于：所述的步骤2中的海冰单元粘结
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破碎模型，用于模拟船舶在海冰环境中航行时，船
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水
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冰三者耦合运动状态；其中的，海冰离散元模型通过采用因法向、切向弹性变形引起的弹性力模型模拟单元间的粘结力，并以法向拉伸强度和切向粘结强度为基准建立单元间的粘结力失效准则。3.如权利要求1所述的一种船用核动力装置冰激疲劳分析方法，其特征在于：所述的步骤2中的海冰单元粘结力采用因法向和切向弹性变形引起的弹性力模型；海冰单元失效准则表示为σmax＜σb或τmax＜τb，其中σb为法向拉伸强度，τb为切...

【专利技术属性】
技术研发人员：顾颖宾，陈励志，林一，闫蕾，楼蕴昊，李凯忠，
申请(专利权)人：中核海洋核动力发展有限公司，
类型：发明
国别省市：