摘要
近年来，随着技术的不断发展，对于北极地区的资源勘探和开发难度逐渐降低，其丰富的自然资源和重要的战略地位，使其称为世界各国关注的焦点。而寒冷海域的海洋结构及各类水下航行体都会受到冰载荷的影响，对于结构的破坏情况有着严格要求，一旦发生破坏会对结构的安全稳定以及人员的生命安全造成威胁。因此研究结构的冲击破冰响应及优化设计问题具有重要意义。 由于海冰形成条件及其内部结构的复杂性，常规方法很难对海冰的破坏情况进行有效的模拟。粘聚单元法将有限元法与离散元法的优势相结合，在模拟脆性材料破坏问题时具有很好的效果，因此本文采用粘聚单元法对海冰进行建模，开展了水下航行体冲击破冰研究及结构优化。 首先，本文深入探讨了海冰的物理力学特性，阐述了粘聚单元法基本原理，并以三点弯曲试验数据为参照，建立了海冰三点弯曲试验的粘聚单元数值计算模型，并讨论了粘结刚度、最大牵引力、断裂能等参数对粘聚单元强度的影响，通过对比数值模型计算结果与试验数据，对数值模型进行调整和优化，经过模拟计算得到了较为理想的结果。通过数值分析和试验结果相结合的方式，验证了数值分析方法的精确性和实用性。 其次，基于粘聚单元法建立了水下航行体冲击破冰数值仿真模型，并针对海冰破坏时的分层现象对横向粘聚单元强度进行了加强，分析了冲击过程中的冰载荷、速度曲线变化情况以及能量转换关系，并考虑到实际工况对冲击过程中的冲击速度、冲击角度、冰层厚度等参数对于冲击响应的影响进行讨论分析。 最后，对水下航行体的冲击破冰结构进行优化设计。通过引入准均匀B样条曲线的方式，将构型优化问题转化为参数优化问题，采用多岛遗传算法，建立冲击破冰构型的多目标优化设计流程，并对优化结果进行性能评估，显著提升了结构的破冰性能。
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