极地船连续破冰阻力数值模拟研究

连续破冰是自破冰型极地船舶中最常用的破冰模式,连续破冰阻力精确计算是极地船舶航行性能预报和船型优化设计的基础。论文提出一种基于预设冰网格技术的连续破冰阻力数值模拟方法,预先对船体水线附近的线型进行分层离散及对冰场进行方形网格离散,通过几何计算和受力分析数值模拟连续破冰进程及产生的破冰阻力分量。进一步考虑连续破冰阻力与运动耦合效应,在时域内建立船体6自由度运动微分方程,数值求解获得连续破冰阻力时间历程结果。利用该数值模拟方法计算获得了一艘PC3级极地油船连续破冰阻力时间历程结果,并将冰阻力有义值与对应的模型试验结果进行了对比。研究表明,数值模拟获得的连续破冰阻力时历结果能够反映连续破冰进程,数值模拟获得的冰阻力有义值与模型试验结果的误差在12%以内。论文的数值模拟方法能够高效、精确地模拟连续破冰进程及冰阻力,具有一定的工程应用价值。     

基于离散元方法的极地浮碎冰区船舶冰阻力

采用离散元方法建立浮/碎冰模型,结合欧拉多相流VOF方法数值模拟船舶与浮/碎冰之间的接触碰撞过程。重点对比分析船、冰作用过程中Hertz-Mindlin模型、Linear Spring模型和Walton Braun模型3种接触力计算模型对船-冰作用形式和冰阻力数值的影响。结果表明,在同一工况下,3种接触碰撞模型对船体周围碎冰运动模式变化的影响一致。对于船体所受冰阻力,通过分析船长方向和船宽方向的冰阻力数值,并将计算结果与采用Du Brovin经验公式计算得到的结果相对比,得出采用Linear Spring接触力计算模型计算得到的阻力幅值发散低,数值相对稳定,计算误差较小,为极地冰区船舶与浮碎冰相互作用的阻力计算提供参考。     

极地物探船破冰阻力数值仿真及试验研究

由于极地物探船作业的特殊性,极地海域冰况对物探船阻力会产生较大的影响.开展极地物探船冰阻力性能研究对船型开发具有重大意义.本文利用数值仿真方法和冰池模型试验方法研究极地物探船在平整冰区的航行过程,并对比分析2种研究方法的试验现象和结果.研究表明:数值仿真方法可以较为准确地反映出极地物探船在平整冰区的航行过程和冰层的破碎...     

极地船冰载荷简化计算方法研究

在极地船破冰过程中,船体--海冰之间将产生十分复杂的动力学行为。本文利用有限元数值仿真软件LS-DYNA模拟一艘极地船连续破冰过程,提出了考虑冰水耦合作用的冰载荷数值计算方法,研究了考虑海冰与海水的耦合作用对作用于船体的冰载荷量值的影响。将本文提出的数值计算方法结果与冰池模型试验数据进行了对比分析,对数值算法的合理性与准确性进行了验证。在此基础上,提出冰载荷准静态分析方法,将有限元直接计算结果与规范设计载荷对比分析,引入动力缩放系数,并将其应用到冲撞式破冰能力计算的冰载荷简化模拟方法。     

基于离散元方法的极地浮碎冰区船舶冰阻力研究

本文采用离散元方法建立浮/碎冰模型，结合欧拉多相流VOF方法数值模拟船舶与浮/碎冰间的接触碰撞过程。重点对比分析了船冰作用过程中三种接触力计算模型：Hertz-Mindlin模型、Linear Spring模型及Walton Braun模型对船冰作用形式及冰阻力数值的影响。得出在同一工况下，三种接触碰撞模型对船体周围碎冰运动模式变化影响一致。对于船体所受冰阻力，通过分析船长、船宽方向冰阻力数值并将计算结果与DuBrovin经验公式进行对比，得出使用Linear Spring接触力计算模型计算的阻力幅值发散低，数值相对稳定且计算误差较小。本文研究工作对极地冰区船舶与浮碎冰相互作用的阻力计算具有一定的指导意义。     

基于SPH-FEM算法的浮冰-水-船耦合作用数值模拟方法

针对计算机模拟极地船舶在冰区航行过程中同时受浮冰与海水影响的非线性与随机性等特点,本文将光滑粒子流体动力学与有限单元法耦合算法应用于某LNG船在冰水池试验航行时与浮冰碰撞的动态过程仿真中。阐述其耦合算法的基本理论与实现方法,模拟船舶航行过程中遇到不同密集度的浮冰工况,分别监测船体所受冰阻力的数值,观察浮冰运动情况,分析LNG舶与各密集度浮冰碰撞时阻力随时间变化规律,与经验公式比较。结果表明,该耦合算法模拟的LNG船航行于各浮冰工况符合真实情况,结果具有较高精度,为后续极地船舶的冰载荷研究提供了有力依据。     

船舶数字碎冰场构建与冰阻力计算方法研究

为验证数值方法计算精度,预报极地碎冰区船舶所受冰阻力,本文依据冰池试验中生成的碎冰航道以粒子喷射的方式构建相应的数字碎冰场,采用球形粒子填充的方式创建碎冰的离散元模型并与CFD方法相结合计算船舶在碎冰域所受冰阻力.依据HSVA冰池对某冰区油船开展的基于模型冰厚分别为37.1 mm、39.8 mm、46.3 mm及49.4 mm四种条件下的冰池试验,数值模拟了在同等试验条件下船舶所受冰的阻力.对比冰池试验,数值模拟过程中碎冰的运动状态、船冰间相互作用模式与冰池试验现象完全吻合,船体所受冰阻力计算误差在合理范围内,最大误差为29.45％.     

艉部先行模式下船舶冰阻力试验预报方法研究

在双向航行极地船舶的基本设计与线型优化阶段，需要对艉部先行模式下的冰阻力进行可靠的试验预报。吊舱与螺旋桨对艉部船-冰作用存在影响，但现有试验规程尚未合理考虑在该影响下船舶冰阻力的变化。以中国双向航行极地科考船“雪龙2”号为原型开展冰水池模型试验，对艉部先行模式下连续破除平整冰的过程进行了模拟。通过水上-水下联合摄录设备观测了船尾前冰层的破坏现象，并描述了螺旋桨对艉部船-冰作用的影响；结合艉部先行试验数据，提出了艉部先行模式下确定冰阻力的推荐方法，为艉部先行模式下的船舶冰阻力试验预报提供指导。     

基于环向裂纹法的冰激载荷船舶运动响应研究

为保证船舶在冰区安全航行和船上机械设备安全，需要考虑冰激载荷特性引起的船舶运动响应问题。论文以一艘极地运输船作为研究对象，采用基于半经验公式的数值方法模拟连续破冰情况下船舶所承受的冰载荷，求解冰区船舶在平整冰区域直航过程中由冰载荷冲击引起的运动响应，计算分析横荡、纵荡和垂荡3自由度冲击加速度，同时基于中国船级社规范，选取PC3冰级，计算规范要求的冲击加速度，将两者计算结果进行对比，揭示了在不同冰厚、弯曲强度和船-冰摩擦系数下加速度的变化趋势。此数值模拟方法对冰区船舶设计与冰区航行具有一定的指导意义。     

航道碎冰条件下极地船舶冰压力分布特性

[目的]为研究船舶与碎冰作用过程中船体冰压力的分布情况,对航道碎冰条件下的极地船舶进行数值模拟分析。[方法]采用离散元法（DEM）对船舶与碎冰进行建模,假设碎冰是由理想的二维圆盘构成,并考虑海流对碎冰单元的浮力、拖曳力及附加质量的影响;利用MT Uikku号冰水池模型试验结果对数值模型进行验证,对比分析不同航速和冰况对船体区域冰压力的影响。[结果]结果显示,当船舶在航道碎冰中运动时,冰载荷主要集中在船首;船首区域的冰压力随冰厚、航速和碎冰密集度的增加而增大,其中冰厚是影响冰压力幅值最大的因素;碎冰区航行船舶的首部区域冰压力影响最大,船首过渡区冰压力影响显著。[结论]所提数值分析方法可为极地船舶安全航行和结构设计提供一定的参考。     

冰区运输船极地海域航行阻力的模型试验研究（英文）

为了考查冰区运输船在北极结冰海域航行时所受到的航行阻力,进行了一系列室内物理模型试验。试验中船体模型通过一个单向测力传感器与主拖车上的刚性拖曳臂相连。试验包含三种主要的冰条件,即船体独立航行的平整冰条件、在破冰船引导下航行的航道碎冰条件和独立航行的浮冰条件。平整冰及航道碎冰条件下对多种船体航行速度进行考察,而浮冰条件下则针对不同的冰覆盖率展开研究。试验中对冰-船相互作用模式、冰排在船体不同位置处的破坏进程以及碎冰沿船体的运动状态进行了详尽的观测,并对船体的航行阻力进行了有效的测量。此外,文中还对航行阻力均值与极值之间的差异进行了详尽的讨论与分析。结果表明,冰条件与船体航行速度是影响船体航行阻力的重要因素。     

基于流固耦合方法的船舶破冰阻力参数敏感性研究

本文基于带有塑性应变失效准则的弹性断裂失效模型建立平整冰有限元模型,采用LS-Dyna流固耦合方法对船舶在平整冰条件下航行的冰载荷开展了数值模拟,选取航速和平整冰厚度作为敏感性参数,分析了参数变化对破冰阻力的影响。研究发现:各方向上的冰载荷在时域上均存在一定的周期性,冰层在船艏撞击和浮力作用下,通常以多种破坏模式的混合方式同时出现;船舶在平整冰环境下的破冰阻力随航速和冰厚的提高基本呈线性增加的趋势,不同航速及冰厚条件下的破冰阻力数值计算结果与Lindqvist经验值的误差分别在-7.5%～13.1%和-10.8%～19.4%范围内,采用LS-Dyna流固耦合方法对船舶破冰阻力进行预报具有较高精度。     

基于FEM/SPH耦合方法的极地运输船舶冰阻力预报研究

冰阻力是极地运输船舶动力需求分析和船型优化设计阶段的重要参考指标.本文基于有限元理论,采用粘聚单元法构建海冰数值模型,开展冰样单轴压缩和三点弯曲试验过程模拟,验证了该模型满足海冰数值计算的要求.在此基础上,以某极地运输船舶为研究对象,采用有限元/光滑粒子流体动力学耦合算法,通过罚函数接触算法传递有限元网格与水粒子之间接触状态和作用力,考虑船舶破冰过程中船/冰/水耦合作用,模拟破冰过程裂纹产生和扩展、冰块翻转与滑移等现象,并进行了冰阻力预报.     

船体板架-模型冰碰撞模型试验与数值仿真

船-冰碰撞时船体的结构响应是极地船舶结构安全性研究的关键问题。制备非冻结模型冰、采用合理的缩尺比构建船体板架模型、基于合理的监测方法进行模型试验,试验完成后通过数据处理对结果进行分析;再利用相同的结构模型参数进行数值仿真,对比2种船冰碰撞研究方法。结果表明：各测点最大应力以及碰撞力吻合较好,验证了非冻结冰模型与板架力学模型的合理性,数据监测及处理方法的正确性以及所采用的数值模拟方法的准确性。     

碎冰条件下冰区船冰水动力数值模拟研究

本文针对典型冰区航行船建立了CFD和DEM相结合的数值模拟方法。采用CFD方法计算船体流体力,DEM方法计算船体所受碎冰力,流体和碎冰间采用浮力和拖曳力模型。基于上述方法模拟的船冰作用现象与试验现象相吻合,在此基础上,研究了航速和碎冰厚度对船体冰力的影响规律。结果表明:随着航速的增加,船体冰力呈上升趋势,流体阻力的增加速度高于碎冰阻力的增加速度;随着碎冰厚度的增加,船体冰力增大。     

中国新型极地考察船冰载荷预估研究（英文）

本文针对中国新型极地考察船所受冰载荷进行了研究,其中包含了平整冰阻力和浮冰碰撞力。对于船舶设计者和建造者来说,船舶冰载荷的预估非常重要。本文采用经验公式方法计算了该船在平整冰中航行的冰阻力,并且与模型试验结果进行了对比。结果显示,计算和试验结果中的冰阻力都随船舶航行速度的增大而增大,经验公式方法可以预测出合理的平整冰阻力。通过计算得到了该船的性能曲线,即该船在不同厚度平整冰中航行所能达到的速度。此外,本文还考虑了该船与圆形浮冰之间的三维斜向碰撞问题,采用解析方法评估了浮冰对船舶的撞击力,研究了撞击位置、法向框架角度以及浮冰尺寸对碰撞力的影响。基于计算结果,本文就冰载荷的预测进行了讨论并提出了一些建议。     

基于反向方法的船体冰载荷研究（英文）

船舶碰撞海冰引起的冰载荷分布是十分复杂的。文章选取Thikhonov正则化这一反向方法,根据极地科考补给船S.A Agulhas II号于2013-2014年间南极航行时实测的数据,分析得到了船体艉肩部的冰载荷。通过应用三种独立的冰载荷离散方式来模拟海冰的自然特性,在有限元中得到模型的影响矩阵,并应用Matlab对Thikhonov正则化方程进行了优化。研究结果表明,反向方法可以克服数据处理过程中的不适定性,并计算得到船体冰载荷。     

中国新型极地考察船冰载荷预估研究

本文针对中国新型极地考察船所受冰载荷进行了研究,其中包含了平整冰阻力和浮冰碰撞力.对于船舶设计者和建造者来说,船舶冰载荷的预估非常重要.本文采用经验公式方法计算了该船在平整冰中航行的冰阻力,并且与模型试验结果进行了对比.结果显示,计算和试验结果中的冰阻力都随船舶航行速度的增大而增大,经验公式方法可以预测出合理的平整冰阻力.通过计算得到了该船的性能曲线,即该船在不同厚度平整冰中航行所能达到的速度.此外,本文还考虑了该船与圆形浮冰之间的三维斜向碰撞问题,采用解析方法评估了浮冰对船舶的撞击力,研究了撞击位置、法向框架角度以及浮冰尺寸对碰撞力的影响.基于计算结果,本文就冰载荷的预测进行了讨论并提出了一些建议.     

基于反向方法的船体冰载荷研究

船舶碰撞海冰引起的冰载荷分布是十分复杂的。文章选取Thikhonov正则化这一反向方法,根据极地科考补给船S.A Agulhas II号于2013-2014年间南极航行时实测的数据,分析得到了船体艉肩部的冰载荷。通过应用三种独立的冰载荷离散方式来模拟海冰的自然特性,在有限元中得到模型的影响矩阵,并应用Matlab对Thikhonov正则化方程进行了优化。研究结果表明,反向方法可以克服数据处理过程中的不适定性,并计算得到船体冰载荷。     

破冰船连续破冰的冰阻力预报

[目的]为了准确评估破冰船在平整冰区航行时连续破冰过程中所受的冰阻力,同时了解不同预报方法的特点,采用经验公式法、数值模拟法以及船模试验法,对破冰船在平整冰中连续航行时的冰阻力进行预报。[方法]使用非线性有限元软件DYNA,分别基于传统有限元与黏聚单元法构造冰层数值模拟模型,模拟平整冰与破冰船相互作用时发生的弯曲断裂以及相互作用的过程。同时,采用经验公式法,用3种不同的经验公式进行冰阻力计算,对影响经验公式法预报结果的参数进行敏感性分析。[结果]研究发现:冰阻力随航速、冰厚度以及弯曲强度的增大呈上升趋势,其中冰厚对冰阻力的影响最大。3种经验公式中,Lindqvist公式的预报结果与船模试验结果更为接近,而Vance和Lewis公式更为保守。传统有限元与黏聚单元法在冰厚较小的情况下,冰阻力预报结果更准确,冰厚较大时误差较大,约25%。在冰厚较小航速较高的情况下,黏聚单元法预报的冰阻力值较传统有限元方法更为准确,与船模试验结果相比精度误差在10%以内。[结论]在实际的冰阻力预报中,可结合经验公式法与数值模拟法,兼顾预报结果的准确性与高效性。