一种冲击冰载荷作用下结构物响应计算方法与流程

1.本发明属于极地工程材料强度计算技术领域，具体涉及一种冲击冰载荷作用下结构物响应计算方法。


背景技术：

2.全球气候变化使得极地工程成为研究热点，而极地工程研究中经常遭遇到结构物遭遇冰体冲击的问题，给结构物的结构强度和运行安全带来较大的挑战。而现有的研究的当中多考虑到计算结构物遭遇的冰载荷，很少直接考虑冰载荷作用下结构物的响应。往往实际工程问题中更需要考虑载荷导致的结构物响应或者破坏，这就需要用到对冰体与结构物耦合处理。因此，为了保证极地工程结构物的结构强度和运行安全，迫切需要开发一种准确、快速地实现冲击载荷作用下结构物响应计算方法。
3.而目前多采用商用求解器求解结构物响应，但是常规求解器在求解冰体破坏等非连续问题时经常遭遇到无法收敛等限制，而近场动力学作为一种无网格方法，在求解非连续问题有其独到的优势，非常适应于冰体动力破坏的模拟。因此基于近场动力学求解冰体冲击破坏下冲击载荷是很有意义的。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种冲击冰载荷作用下结构物响应计算方法。
5.本发明的目的通过如下技术方案来实现：包括以下步骤：
6.步骤1：获取待计算的冲击冰体和平板的几何物理参数，获取冲击冰体垂直冲击平板的速度v；
7.步骤2：将冲击冰体进行粒子点离散，获取离散得到的各物质点i的初始坐标(x
i
,y
i
,z
i
(0))、密度ρ和体积v；
8.步骤3：将平板结构进行面元网格划分，获取各面元j的四个顶点的坐标(x
ja
,y
ja
,z
ja
)、(x
jb
,y
jb
,z
jb
)、(x
jc
,y
jc
,z
jc
)、(x
jd
,y
jd
,z
jd
)和面元的几何表达式a
j
x b
j
y c
j
z d
j
＝0；
9.步骤4：预判定各物质点与面元的接触，获取各物质点i对应发生接触的面元j及在面元上的投影点坐标(x
i
,y
i
,z
i
(t))，a
j
x
i
b
j
y
i
c
j
z
i
(t) d
j
＝0；
10.若物质点i满足以下条件，则预判定物质点i将与面元j发生接触；
11.min(x
ja
,x
jb
,x
jc
,x
jd
)≤x
i
≤max(x
ja
,x
jb
,x
jc
,x
jd
)
12.min(y
ja
,y
jb
,y
jc
,y
jd
)≤y
i
≤max(y
ja
,y
jb
,y
jc
,y
jd
)
13.步骤5：初始化t＝0，设置时间步长δt；
14.步骤6：在t δt时刻，若存在物质点i满足a
j
x
i
b
j
y
i
c
j
z
i
(t δt) d
j
＞0，则计算物质点i作用到面元j上的载荷f
ji
；
15.[0016][0017]
其中，z
i
(t δt)＝z
i
(0) v(t δt)；
[0018]
步骤7：若则令t＝t δt，返回步骤6；
[0019]
步骤8：对于每一个面元j，获取与其发生接触的所有物质点的集合e
j
，计算面元j受到的总冲击载荷f
j
；
[0020][0021]
其中，n
j
表示冲击面元j的法向量；
[0022]
步骤9：计算平板结构受到的总冲击载荷f
平板
＝∑f
j
。
[0023]
本发明的有益效果在于：
[0024]
本发明采用近场动力学和有限元法结合的方式进行冲击载荷作用下结构物动响应计算，能实现冰体冲击结构物动响应预报，具有效率高，计算结果准确等优点。本发明首先依据近场动力学方法求解冰体冲击载荷，以圆柱冰体冲击为例计算柱状冰体冲击下冰载荷大小，再将冰载荷是施加到结构物表面上，以四周刚性固定的平板作为基准结构物进行计算，利用有限元方法计算载荷表面压力大小。本发明可以实现冰体冲击载荷作用下结构物动响应计算，解决了现有商用软件模拟冰体破碎效果不好的缺点，为极地工程结构物的安全校核和设计研发提供参考。
附图说明
[0025]
图1为本发明的流程图。
[0026]
图2为单块面元粒子冲击载荷示意图。
[0027]
图3为冰体动力破坏展示图。
[0028]
图4为采用本发明进行冰与结构物动力耦合结构物响应计算的结果展示图。
具体实施方式
[0029]
下面结合附图对本发明做进一步描述。
[0030]
本发明采用近场动力学和有限元法结合的方式进行冲击载荷作用下结构物动响应计算，能实现冰体冲击结构物动响应预报，具有效率高，计算结果准确等优点。首先依据近场动力学方法求解冰体冲击载荷，以圆柱冰体冲击为例计算柱状冰体冲击下冰载荷大小，再将冰载荷是施加到结构物表面上，以四周刚性固定的平板作为基准结构物进行计算，利用有限元方法计算载荷表面压力大小。本发明可以实现冰体冲击载荷作用下结构物动响应计算，解决了现有商用软件模拟冰体破碎效果不好的缺点，为极地工程结构物的安全校核和设计研发提供参考。
[0031]
一种冲击冰载荷作用下结构物响应计算方法，包括以下步骤：
[0032]
步骤1：获取待计算的冲击冰体和平板的几何物理参数，获取冲击冰体垂直冲击平板的速度v；
[0033]
步骤2：将冲击冰体进行粒子点离散，获取离散得到的各物质点i的初始坐标(x
i
,y
i
,z
i
(0))、密度ρ和体积v；
[0034]
步骤3：将平板结构进行面元网格划分，获取各面元j的四个顶点的坐标(x
ja
,y
ja
,z
ja
)、(x
jb
,y
jb
,z
jb
)、(x
jc
,y
jc
,z
jc
)、(x
jd
,y
jd
,z
jd
)和面元的几何表达式a
j
x b
j
y c
j
z d
j
＝0；
[0035]
步骤4：预判定各物质点与面元的接触，获取各物质点i对应发生接触的面元j及在面元上的投影点坐标(x
i
,y
i
,z
i
(t))，a
j
x
i
b
j
y
i
c
j
z
i
(t) d
j
＝0；
[0036]
若物质点i满足以下条件，则预判定物质点i将与面元j发生接触；
[0037]
min(x
ja
,x
jb
,x
jc
,x
jd
)≤x
i
≤max(x
ja
,x
jb
,x
jc
,x
jd
)
[0038]
min(y
ja
,y
jb
,y
jc
,y
jd
)≤y
i
≤max(y
ja
,y
jb
,y
jc
,y
jd
)
[0039]
步骤5：初始化t＝0，设置时间步长δt；
[0040]
步骤6：在t δt时刻，若存在物质点i满足a
j
x
i
b
j
y
i
c
j
z
i
(t δt) d
j
＞0，则计算物质点i作用到面元j上的载荷f
ji
；
[0041][0042][0043]
其中，z
i
(t δt)＝z
i
(0) v(t δt)；
[0044]
步骤7：若则令t＝t δt，返回步骤6；
[0045]
步骤8：对于每一个面元j，获取与其发生接触的所有物质点的集合e
j
，计算面元j受到的总冲击载荷f
j
；
[0046][0047]
其中，n
j
表示冲击面元j的法向量；
[0048]
步骤9：计算平板结构受到的总冲击载荷f
平板
＝∑f
j
。
[0049]
本发明利用近场动力学和有限元方法耦合，分别发挥近场动力学在模拟海冰动力破坏和有限元方法在模拟结构物响应的优势，能够快速地实行冲击冰载荷作用下结构物响应预报。编译程序实现该发明能够克服商用软件中复杂的建模、网格划分过程，具有实施程序简便、计算效率高等优点，可以为极地工程结构物在遭遇冰体冲击作用的响应预报提高帮助。本发明可以直接展示冰体冲击结构物的海冰动力破坏与结构物动力响应，附图中给出了结构物动力响应预报结果，发现板材受柱体冲击时柱体中心点与板材接触位置的应变响应特征最剧烈，验证了本发明建立的计算方法的有效性。
[0050]
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。