船舶与海洋工程结构冰载荷 离散元数值分析

海冰与极地船舶和海洋工程结构作用时的动力破坏特性，以及海冰同海水、工程结构的多介质耦合作用对冰载荷的数值模拟提出了很大挑战。《船舶与海洋工程结构冰载荷：离散元数值分析》首先综述了离散元方法在船舶与海洋工程结构冰载荷数值模拟中的研究进展；接着介绍了极地海冰数值模拟的系列离散元方法，以及海冰与海水、工程结构耦合作用的多介质、多尺度数值方法，并阐述了基于GPU并行计算的高性能离散元分析软件；然后介绍了平整冰、碎冰和冰脊等不同类型海冰的离散元数值构造方法，并对船舶结构冰阻力和冰载荷、冰区操纵性，以及海冰与螺旋桨的耦合作用进行了全面的离散元分析；最后对导管架和沉箱式固定海洋平台、浮式海洋平台在海冰作用下的冰载荷及结构响应进行了系统的离散元模拟。本书可作为船舶与海洋工程、机械、力学等领域从事极地装备开发、冰载荷研究和抗冰结构设计的科研人员，以及高等院校相关专业的研究生和高年级本科生的参考用书。

前言
第1章 绪论 1
1.1 冰载荷数值方法研究进展 2
1.1.1 冰载荷的有限元方法及黏聚单元方法 2
1.1.2 冰载荷的近场动力学方法 3
1.1.3 冰载荷的光滑粒子流体动力学方法 6
1.1.4 冰载荷的环向裂纹法 7
1.2 海冰离散元方法研究进展 10
1.2.1 地球物理尺度下海冰离散元方法 11
1.2.2 浮冰尺度下海冰离散元方法 15
1.2.3 工程结构尺度下海冰离散元方法 25
1.2.4 材料性能尺度下海冰离散元方法 48
1.2.5 细观尺度下海冰的离散分布特性 53
1.2.6 冰载荷的高性能离散元并行算法及计算软件 55
1.3 基于离散元方法的冰载荷数值冰水池 57
1.3.1 面向冰载荷的数值冰水池研究框架 58
1.3.2 数值冰水池的软件实现 60
1.3.3 数值冰水池的试验验证 63
1.3.4 数值冰水池的初步应用 64
1.4 小结 69
参考文献 70
第2章 船舶与海洋工程结构冰载荷离散元方法 81
2.1 海冰球体离散元方法及参数确定 81
2.1.1 球体单元间的接触和黏结模型 81
2.1.2 球体单元间的黏结失效准则 86
2.1.3 平行黏结模型的尺寸效应及黏结失效参数 90
2.2 海冰扩展多面体离散元方法 100
2.2.1 扩展多面体形态的海冰单元及接触模型 100
2.2.2 海冰单元间的黏结失效准则 103
2.2.3 海冰扩展多面体离散元的宏细观参数关系 107
2.3 海冰三维圆盘离散元方法 112
2.3.1 海冰三维圆盘单元的构造及接触判断 112
2.3.2 海冰圆盘单元的浮力计算及拖曳力 114
2.3.3 海冰圆盘单元与海洋结构物间的接触判断 118
2.4 海冰与工程结构耦合的DEM-FEM方法 120
2.4.1 海冰离散元与结构有限元的接触搜索算法 122
2.4.2 海冰离散元与结构有限元的界面耦合方法 126
2.4.3 DEM-FEM 耦合模型的验证 133
2.5 海冰与流体耦合的DEM-SPH方法 137
2.5.1 光滑粒子流体动力学方法 138
2.5.2 SPH粒子与扩展多面体单元的耦合算法 145
2.5.3 DEM-SPH耦合的数值模拟分析及结果验证 150
2.6 冰载荷的高性能离散元并行算法及计算分析软件 160
2.6.1 冰载荷的GPU并行算法 160
2.6.2 冰载荷离散元计算效率的提高途径 167
2.6.3 海冰离散元计算分析软件研发 172
2.7 小结 181
参考文献 182
第3章 海冰离散元数值构造 187
3.1 海冰离散元构造方法简介 187
3.1.1 极地海冰的离散元构造方式 187
3.1.2 球体离散元的排列方式 189
3.2 平整冰的离散元构造 195
3.2.1 平整冰的球体离散元构造 195
3.2.2 平整冰的扩展多面体离散元构造 199
3.3 碎冰的离散元构造 204
3.3.1 基于二维Voronoi图的碎冰区构造 204
3.3.2 碎冰块的几何规则度 206
3.4 冰脊的离散元方法构造 213
3.4.1 冰脊的球体离散元方法 214
3.4.2 冰脊的扩展多面体离散元方法 223
3.5 小结 235
参考文献 235
第4章 极地船舶结构冰载荷的离散元分析 239
4.1 碎冰区船舶航行的冰阻力及冰载荷 239
4.1.1 碎冰区船舶结构冰阻力 239
4.1.2 浮冰块对船舶结构冲击的冰载荷 256
4.2 平整冰区船舶航行的冰阻力及冰载荷 259
4.2.1 平整冰区船舶结构冰载荷 260
4.2.2 辅助破冰条件下的船体冰载荷 267
4.3 船舶冰区操纵性的离散元分析 273
4.3.1 船舶六自由度运动方程 274
4.3.2 船舶操纵航行运动模型 275
4.3.3 船舶操纵验证及破冰航行计算 276
4.3.4 极地船舶冰区操纵性能影响因素分析 278
4.4 单点系泊系统的冰载荷离散元分析 281
4.4.1 软刚臂单点系泊系统的数值模型 281
4.4.2 平整冰与单点系泊系统相互作用的离散元分析 282
4.4.3 碎冰与单点系泊系统相互作用的离散元分析 284
4.5 海冰与螺旋桨相互作用的离散元分析 287
4.5.1 海冰–螺旋桨的DEM-FEM耦合模型 288
4.5.2 海冰–螺旋桨切削过程的DEM-FEM耦合模拟 289
4.6 小结 295
参考文献 295
第5章 海洋工程结构冰载荷的离散元分析 299
5.1 寒区海洋平台结构冰载荷分析 299
5.1.1 直立结构冰载荷的离散元分析 299
5.1.2 锥体海洋结构冰载荷的离散元分析 307
5.1.3 多桩腿海洋平台的冰载荷遮蔽效应 325
5.1.4 海冰与直立平面结构作用的冰压力分布 333
5.2 固定式海洋工程结构冰激振动响应分析 337
5.2.1 海上风电基础结构冰激振动分析 338
5.2.2 单桩海洋平台结构冰激振动特性分析 346
5.2.3 多桩腿海洋平台结构冰激振动的 DEM-FEM 耦合分析 354
5.3 浮式海洋平台结构冰载荷分析 363
5.3.1 Kulluk 浮式海洋平台的冰载荷分析 363
5.3.2 半潜式海洋平台结构的冰载荷分析 371
5.4 核电站取水口的海冰堆积模拟 378
5.4.1 核电站取水口海冰堆积的离散元模拟.378
5.4.2 海冰堆积特性的影响因素分析 381
5.5 重力式沉箱平台结构冰载荷的离散元分析 385
5.5.1 重力式沉箱结构模型简介 385
5.5.2 海冰与Molikpaq沉箱作用过程的模拟 387
5.5.3 海冰与JZ9-3沉箱作用过程的模拟 388
5.6 小结 392
参考文献 393